1. 簡介

近年來，采用LED燈串為汽車提供LCD面板背光越來越普遍。使用LED的好處包括快速的響應(yīng)時間、更高的對比度和更低的功耗?？刂芁ED燈串的LED驅(qū)動器一般由汽車電池供電，為簡化LED的光學(xué)和散熱設(shè)計，每個燈串中的LED數(shù)量一般不多于6個。對于標(biāo)稱電壓為12V的電池，帶有線性穩(wěn)流器的升壓轉(zhuǎn)換器（如圖1所示）可實現(xiàn)此功能。

圖1.由升壓轉(zhuǎn)換器和線性電流調(diào)節(jié)器組成的LED驅(qū)動器

2. 冷啟動條件

在汽車應(yīng)用中電池電壓會發(fā)生改變。通常，一個12V電池，其電壓會在9V到16V之間變化。因此，汽車電池供電的電路在設(shè)計時均應(yīng)考慮輸入電壓的變化情況。此外，如果考慮冷啟動條件，對于15ms左右較短的持續(xù)時間，最壞情況下，電池電壓將低至3V±0.2V，如2.8V。而后電池電壓升到6V，并持續(xù)數(shù)秒，在數(shù)秒的上升時間內(nèi)將恢復(fù)到標(biāo)稱電壓范圍內(nèi)。冷啟動條件下的電池電壓曲線與之類似，但不同汽車制造商所提供的產(chǎn)品的電平和變化/持續(xù)時間會有所不同。圖2給出了典型示例。冷啟動可能發(fā)生在汽車負(fù)載突降及低溫環(huán)境下。盡管冷啟動持續(xù)時間不長，但仍需確保LCD面板和安全電子部件等重要的汽車組件以保證正常運行。

圖2. 典型冷啟動電池電壓曲線

3. 設(shè)計考量

考慮到冷啟動條件，在設(shè)計LED驅(qū)動器時需要強(qiáng)大的升壓轉(zhuǎn)換器。參看圖1，電池電壓的變化僅會影響升壓轉(zhuǎn)換器，如果升壓轉(zhuǎn)換器可以在冷啟動條件下保持輸出電壓，那么線性穩(wěn)流器的工作就不受影響，LED燈串的亮度也會保持不變。由于冷啟動條件下的輸入電壓值極低，因此設(shè)計時還需要考慮一些其他因素，包括：

3.1升壓控制器工作范圍

理論上說，只要沒有達(dá)到占空比的上限，升壓轉(zhuǎn)換器（而非升壓控制器）的輸入電壓可以設(shè)置的很低，但是“升壓控制器”（通常是一個IC芯片）的工作電壓則有一個更低的下限值。大部分升壓控制器的工作電壓不得低于3V。不過如前所述，在冷啟動時，最壞情況下電池電壓可以低至2.8V，令升壓控制器工作（而不是上電即可）在低輸入電壓下的常規(guī)方法以雙電源路徑為升壓控制器供電，包括電池電壓和升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，通過二極管回連到升壓控制器的輸入端子，如圖3所示。此類情況下，在上電過程中“升壓控制器”由電池供電，之后則由升壓轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行供電。這樣，只要升壓轉(zhuǎn)換器可以提供正常的輸出電壓，輸入電壓的壓降就不會影響升壓控制器的工作。

圖3. 帶雙電源供電的升壓轉(zhuǎn)換器

3.2輸入電流

LED燈串的亮度和升壓轉(zhuǎn)換器的輸出功率需要保持不變，所以，輸入電流會隨著輸入電壓的減小而增大。這即意味著在冷啟動條件下，電感器和MOSFET開關(guān)的峰值電流都要遠(yuǎn)大于正常工作下的值（當(dāng)電池電壓降在標(biāo)稱范圍內(nèi)時）。例如，電池電壓為3V時其輸入電流大約是12V時的4倍。所以在選擇時，電感器需要有更大的飽和電流，而MOSFET開關(guān)需要承受更高的導(dǎo)通電流。

3.3熱管理

冷啟動條件下，MOSFET開關(guān)的電流和占空比都要大于標(biāo)稱工作時的值，這意味著MOSFET開關(guān)的傳導(dǎo)損耗會大幅增加。盡管冷啟動條件的持續(xù)時間很短，但MOSFET開關(guān)的溫度會大幅上升。如果MOSFET開關(guān)集成在升壓控制器IC內(nèi)，為了使元件數(shù)量和解決方案尺寸最小化，那么有效的散熱方案就非常重要，因為不佳的熱管理會觸發(fā)IC芯片的熱保護(hù)電路，使LED意外斷電。

4. 推薦電路

圖4示意了考慮到冷啟動情況下，汽車中使用的LCD面板背光普遍采用LED驅(qū)動器的電路，該電路使用了美國國家半導(dǎo)體的LM3492芯片。該電路驅(qū)動2個LED燈串，每個燈串都含有工作電流為100mA的6個LED。電路的標(biāo)稱輸入電壓范圍為9V至16V，標(biāo)稱開關(guān)頻率為300 kHz。該電路的基本組成元素包括一個升壓轉(zhuǎn)換器和一個雙通道線性穩(wěn)流器。MOSFET開關(guān)集成在LM3492內(nèi)，實現(xiàn)了更小的方案體積。LM3492的VIN針腳通過二極管連到輸入電壓，當(dāng)電池電壓低于最低要求的4.5V時，芯片內(nèi)部連接了VIN和VOUT引腳（后者連接升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓）的電路就會為LM3492供電。這里選用了一個飽和電流為3.36A的33uH電感器，盡管對于正常輸入電壓而言，1A的飽和電流就已足夠。

圖4. 考慮冷啟動條件的LM3492參考設(shè)計

5. 測量結(jié)果

圖5-6顯示了輸入電壓為12V（標(biāo)稱值）和2.8V（冷啟動時的最壞情況）下LM3492電路的波形。表1總結(jié)了LM3492電路工作在標(biāo)稱條件和冷啟動條件下的測量結(jié)果?？梢钥吹?，即使輸入電壓低至2.8V時，LED電流也保持不變，這表示背光亮度并不受冷啟動條件影響。從圖6的波形可知，輸入電壓為2.8V時的占空比大于90%，同時還測量了2.61A的大輸入電流，如表1所示。為此，其內(nèi)部MOSFET開關(guān)的功率損耗也就相對較大。LM3492外殼上可測得90?C的溫升（標(biāo)稱輸入電壓范圍下僅為30?C）。參考表1中的效率可知，冷啟動條件下的效率會下降到56%，盡管標(biāo)稱輸入電壓范圍內(nèi)的效率可高達(dá)90%。

圖5. 輸入電壓為12V時LM3492電路的波形

圖6. 冷啟動條件下LM3492電路的波形

表1. 測量結(jié)果總結(jié)

6. 結(jié)論

考慮到汽車應(yīng)用中的冷啟動條件，本文介紹了一款普遍用于LCD面板背光的LED驅(qū)動器電路。前面已經(jīng)討論了一些特殊設(shè)計考慮，包括雙電源供電、飽和電流更高的電感器選擇和熱管理。測量波形顯示，LED電流并未受影響，即使輸入電壓降到2.8V時仍可保證正常工作。在9V至16V的標(biāo)稱輸入電壓下，可以實現(xiàn)約90%的高效率。