在汽车应用中实现高亮度LED控制的成本效益

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        高亮度LED(HBLED)在汽车、消费电子和工业市场正在快速普及。 色彩绚丽、寿命长、能源效率高,这些是高亮度LED成为照明应用未来发展趋势的部分原因。

        在汽车行业,HBLED技术使车辆在造型、安全、燃油的经济性方面与众不同,从简单的开关照明、LCD背光到亮度极高的头灯应用都包括在内。但是,高效、可靠地控制HBLED的亮度,不是一件容易的事情;功率级效率,热设计和EMC是涉及HBLED的应用中最关键的设计难题。 通常情况下,使用专用恒定电流驱动器(CCD)来驱动HBLED串来解决大部分重要设计问题,并简化设计。不过,CCD通常比基于微控制器的解决方案更贵。本文介绍使用8位微控制器(MCU)和低成本的分离解决方案来实施智能HBLED照明控制,从而避免使用高昂的模拟驱动或CCD。

高亮度LED的重要特征

        正如在低强度LED中的情况一样,高亮度LED的发光强度与通过的电流程成正比。该电流通常被称作正向电流(IF),在HBLED中的范围是100mA~1000mA。 同时,每当HBLED进行极化时,都会出现压降,称为正向电压(VF)。在HBLED中,光度和色度与IF成正比,因此对通过HBLED的电流进行精确控制显得至关重要。

        具有相同部件号和技术规范的HBLED,不一定拥有完全相同的VF值。当通过两个HBLED的电流IF相同时,它们的后向电压VF可能不同。 因此,通过恒定电压的方式控制LED强度,可能会导致HBLED和HBLED之间的密度不同,并且要确保所有HBLED具有相同亮度,则必须提供一个电流控制。

        不仅发光强度与通过HBLED的电流有关,色度也与HBLED电流有关。 为了保持HBLED颜色,HBLED必须采用恒定电流进行驱动。本解决方案将使用PWM(脉宽调制),从而在HBLED(光照强度)中提供一个更低的平均电流,而同时还能保持相同的瞬时电流(LED颜色)。

        随着HBLED电流增加,功耗也将增加。电流为350mA。压降为3V的HBLED大约会消耗1瓦的电,如果不进行正确的热管理,这种耗散可能会导致HBLED过热和长期性能下降。热设计的另一个重要方面是,HBLED发光强度与LED结温成反比,随着温度增加,发射器的颜色会进入更高的波长。

驱动高亮度LED所面临的难题

        在低强度LED中,使用电阻来限制IF电流非常普遍。 在HBLED中,电阻的额定功率必须更高,这会导致系统效率低下。 因此,在HBLED系统中,开关模式电源(SMPS)被用来提高效率和降低功耗。由于SMPS需要能源存储组件(电感器和电容器),因此价格通常更贵;同时,SMPS还可能造成噪音或EMI问题。

        一组HBLED可以同时通过并联或串联方式驱动,并联驱动使每个HBLED有不同的光照强度,但如果需要一个控制回路,每个HBLED会要求一个专用控制,因此对于大量HBLED来说费用过高。

        以并联方式连接HBLED时,每个灯串只需要一个驱动和控制回路,穿过串联中所有HBLED的电流都相同,从而为它们提供相对恒定的亮度。 根据串联的LED数量,线路穿要求的电压可能低于或高于输入电压。

采用基于微控制器的解决方案

        市场上有大量用来驱动HBLED恒定电流的解决方案,其中一部分基于专用智能模拟驱动,另一部分使用数字信号处理器(DSP)或带独立模拟驱动的微控制器。

        人们普遍认为,基于MCU的解决方案不是执行HBLED恒流控制的最好方法,特别是系统采用分离元件构建的开关式电源时会变得不够稳定,并且不可能通过EMC认证。 飞思卡尔半导体公司现已创建了一款用于双灯串HBLED照明控制的设计样例。该HBLED基于S08MP16八位微控制器,MCU负责测量来自LED灯串的电流馈电,使用PID控制算法进行处理,从而控制独立的降压升压开关式电源的操作,通过HBLED灯串确保最佳电流流量。

        该微控制器还负责监控用户输入、电池电压和温度传感器,诊断实时的LED电源供应状态,一些特别的通信功能,如LIN功能也可以在同一个微控制器中实施。