高亮度LED应用为LED驱动器集成电路带来新的机会和挑战

目前，对高亮度 LED（发光二极管）的市场预测存在很大差别。尽管预测数据不同，但是趋势是明显的：高亮度（HB）LED 市场正在以惊人的速度增长。有些预测数据为年复合增长率 15%，另一些则为年复合增长率 35%。2007 年汽车领域的 LED 照明处于起步阶段，销售额为 6.7 亿美元，但是预计将以 15% 的年复合增长率增长，到 2011年（1）达到 12 亿美元。如果将非汽车应用考虑在内，那么年复合增长率接近 35%，而且到 2011 年，总的高亮度 LED 市场有可能轻松超过 25 亿美元。

这么高的增长潜力靠什么驱动？首先，LED 产生光的效率是白炽灯的 10 倍，同时几乎是荧光灯的两倍，因此极大地降低了提供特定光输出量（单位：流明）所需的电功率。第二，白炽灯使用 1,000 小时后需要更换，荧光灯可持续使用 1 万小时，而 LED 的寿命超过 10 万小时。在大多数应用中，这允许 LED 永久性地嵌入到最终应用中而无需附属装置。例子包括用于装在汽车车体上的显示屏或 HDTV 的 LCD 显示屏，因为这些 LED 在汽车、HDTV 或运动场馆显示器寿命期内不会需要更换。第三，LED 比其它照明产品小几个数量级，外形尺寸可以制作得非常扁平，这样它们就可以永久性地嵌入到汽车内部和外部应用中。另外，通过使用红光、绿光和蓝光 LED 配置，可以实现无数种颜色。最后，LED 能够调光，而且其接通和断开时间很快，人眼察觉不到，这极大地改进了 HDTV 和其它类型显示器的背光照明。没有这些 LED，不可能有极高对比度和清晰的高分辨率LCD HDTV。

尽管如此，照明系统设计师的最大挑战之一是如何充分利用最新一代 LED 的所有优势。因为它们一般需要一个准确的直流电流源，还需要调光，因此 LED 驱动器集成电路必须设计成能满足各种不同应用的需求。电源解决方案必须高效率、功能可靠，而且与往常一样，要非常紧凑和经济。有理由认为，最苛刻的 LED 驱动应用之一是在汽车应用中，其中包括基于 LED 的内部照明、LCD 显示器背光照明、刹车/转向信号指示灯，甚至包括前灯。

汽车 LED 照明

尺寸小、功耗低以及接通时间短等优点已经使高亮度 LED 开始在今天的汽车中得到广泛采用。最初的 LED 应用是中央高位刹车灯（CHMSL），这类应用采用红光 LED 提供非常微小的照明阵列，这种阵列很容易安装，而且从不需要更换。

图1：奥迪R8/雷克萨斯LED前灯/转向信号指示灯/行车灯。

传统上，白炽灯是最经济的光源，而且很多汽车仍在使用。不过，用于照明组件的可用空间缩小以及对长工作寿命的需求，加之 LED 实现了明亮的自然色彩和简化设计，因此 LED 在很多应用中迅速取代了白炽灯。白光 LED 阵列取代传统的冷阴极荧光照明（CCFL）TFT-LCD 背光照明越来越常见了，白光 LED 提供更加精确和可调的背光照明，工作寿命将很容易超过汽车本身的寿命。甚至主要是卤素/氙灯丝设计应用领域的前灯也正在逐步采用电子“可控”的大电流 LED 阵列（参见图 1）。包括内部/外部和背光照明应用的所有汽车照明应用都几乎在转向 LED。在这种环境中使用 LED 有几个优点。首先，它们从不需要更换，因为其长达 10 万余小时（11.5 年的使用年限）的可靠寿命超过了汽车本身的寿命。这允许汽车制造商永久性地将其嵌入“舱内”照明系统，无需为了方便更换而进行相应的设计。其款式也可以有很大变化，因为 LED 照明系统所需的深度和面积不像白炽灯那么大。

图 2 所示是现代汽车中的各种 LED 照明应用。在汽车内部，有几种采用各种类型 LED 的“标准内置”照明模块。有些是单个 LED，而像导航仪表板背光照明等另一些应用则需要 LED 阵列。在外部照明方面，LED 也得到了认可。现在超过 40% 的中央高位刹车灯已经采用红光 LED。另外，奥迪 (Audi) 2008 A8 采用大电流 LED 阵列作为白天行车灯（DRL）。雷克萨斯 (Lexus) 600 轿车和奥迪 R8 包括前灯在内的全部外部“前向照明”都是由 LED 完成的。类似地，甚至更多中档汽车和很多摩托车也采用了彩色 LED 阵列作为刹车/转向信号指示灯。

图 2：LED 照明在现代汽车中的典型应用。

 汽车 LED 照明的设计参数

表 1：大电流白光 LED 的正向压降与驱动电流。

为确保最佳性能和更长的使用寿命，LED 需要一个有效的驱动电路。这些驱动电路必须能够适应条件非常苛刻的汽车电源总线，而且要既经济又节省空间。为了保证更长的使用寿命，首要的是不超过 LED 的电流和温度限制。表 1 给出了大电流白光 LED 的典型正向电压与驱动电流。

图3：采用 LT3755 的 50W 前灯电路。

 大多数前灯应用需要约 50W LED 电流。LT3755 设计成服务于这种类型的应用。它可以将汽车总线电压（标称值为 12V）提高到 60V，以驱动多达 14 个串联连接的 1A LED，如图 3 所示。

图 4：图 3 所示 LT3755 电路的效率。

图 4 说明，LT3755 的效率可高达 93%。这一点是非常重要，因为这消除了所有电源组件的散热需求，从而可组成一个占板面积非常紧凑的解决方案。尽管图 3 所示电路是一种升压型拓扑，但是 LT3755 独特的高压侧电流检测设计使其能够根据应用的具体要求，配置为升压模式、降压模式、降压-升压模式或反激式拓扑。

LT3755 用稳定的内部 7V 电源驱动外部低端 N 沟道 MOSFET。固定频率、电流模式架构允许在宽电源和输出电压范围内稳定和准确地工作。LT3755 提供一个恒定电流源，这对 LED 驱动器集成电路在输入电压不稳定时实现恒定 LED 亮度非常重要，而且在汽车应用中尤其重要，因为在冷车发动和负载突降等情况下遭遇瞬态后，输入电压可能有极大的摆动。LT3755 的最高输入电压为 40V，使其能够在主汽车总线遭遇 40V 瞬态时稳定 LED 电流和电压，40V 瞬态在负载突降情况下是常见的。

以地为基准的电压反馈引脚用作很多 LED 保护电路的输入，如 LED 开路保护，而且还使转换器有可能用作恒定电压源。频率调节引脚允许用户在 100kHz 至 1MHz 范围内对频率编程，以优化效率和性能，同时最大限度减小外部组件尺寸。如果需要外部同步，LT3755-1 版本在 100kHz 至 1MHz 的整个频率范围内还可以同步至外部时钟。

LT3755 的真彩 PWM 调光实现了高达 3000:1 的调光比，调光时所发光的颜色没有改变，从而能够持续调节 LED 前灯，以适应多种环境条件。因为大电流 LED 驱动器是电流模式稳压器，因此它们不直接调制电源开关的占空比，而是由反馈环路控制每个周期的开关峰值电流。与电压模式控制相比，电流模式控制改进了环路动态特性，并实现了逐周期限流。
两个 LED 应用

如图 2 所示，很多嵌入式大电流 LED 应用都由单个或两个大电流（ILED 从 1A 至 1.5A）LED 组成。这类应用包括内部照明，如顶灯、地图灯、后备箱照明，还包括外部照明，如门槛或“水坑”灯。视应用的不同，可能采用彩色 LED 用于仪表板照明，或白光 LED 用于一般照明。因为这类 LED 一般具有 3V 至 4V 的正向电压，并用 12V 至 14V 的汽车总线供电，所以需要降压型稳压器。LT3475 双路降压型 LED 驱动器非常适用于这类应用。

LT3475 是一个双路 36V、2MHz 降压型 DC/DC 转换器，用作双路恒定电流 LED 驱动器（参见图 3）。每个通道都有内部检测电阻和调光控制，非常适用于驱动需要高达 1.5A 电流的 LED。两个通道以 180o 的相位差开关，从而降低了两个通道的输出纹波。在 50mA 至 1.5A 的宽电流范围内，每个通道都独立保持高输出电流准确度，同时独特的 True Color PWMTM 电路实现 3000:1 的调光范围，而且没有通常与 LED 电流调光相关的颜色改变。LT3475 具有 4V 至 36V（瞬态高达 40V）的宽输入电压范围，非常适应汽车电源系统。其开关频率可以在 200kHz 至 2MHz 的范围内设定，从而允许使用纤巧的电感器和陶瓷电容器，同时保持开关噪声在调幅收音机频段之外。该器件采用耐热增强型 TSSOP-20 封装，为驱动大电流 LED 提供了一个非常紧凑的解决方案。

LT3475 采用高压侧检测方式，实现了接地的 LED 阴极连接，因此在大多数应用中无需接地线。它的每个通道还具有集成的升压二极管，进一步减少了解决方案占板面积和成本。其它特点包括 LED 开路和短路保护。

图 5：LT3475 双路 1.5A 降压型 LED 驱动器原理图和有关的效率曲线。

结论

在当前和未来的汽车中，LED 照明应用将前所未有地加速增长，这已经导致对大电流 LED 汽车应用中的 LED 驱动器集成电路产生了很多非常具体的性能要求。这些应用从前灯到内部照明，种类很多。另外，在汽车市场之外的大量商用和工业环境中也有很多 LED 应用，汽车应用中的大多数高性能要求在这些应用中也需要。这些 LED 驱动器必须提供恒定电流，以在输入电压或 LED 正向电压变化时保持一致的亮度，而且必须以高效率工作。它们还必须能够承受汽车电源总线严酷的电气特性。这些应用还要求非常紧凑的、高热效率解决方案。照明系统设计师现在有了一个非常方便的 LED 驱动器来源，可以进行具有挑战性的照明设计了。