Joshua Caldwell

在很多系統中（包括汽車動力輸出系統中部署的眾多調節器），功率轉換控制器的設計都是一項困難而復雜的工作。本文說明了LED驅動器使用的不同開關拓撲的優勢、權衡取舍和應用，旨在簡化選擇過程。

LED不同于傳統的帶有燈絲或氣體成分的電燈。利用特定的半導體結，LED制造商可以生成整個可見光范圍的特定顏色的光，以及紅外線和紫外線。在汽車應用中，LED可以提高白天和夜間駕駛的安全性。效率的提高可以延長電動汽車的電池壽命，而在單個系統中使用多個LED可以避免單一部件的故障問題。

由于其多功能性，LED能夠以多種不同的方式驅動。由于LED的輸出有良好的照明控制，因此LED負載與電力系統的傳統負載不同。LED只靠通過半導體結的精確控制電流來發光，而端口到系統接地（或汽車系統中的底盤）的相對電壓則與此無關。因此，LED系統可以利用開關技術提供的不同拓撲。

如何為汽車LED系統選擇正確的開關拓撲

汽車系統中特定開關拓撲的選擇關系到整個系統設計；應考慮最小輸入電壓、最大串電壓、底盤回路能力、短路輸出能力、最大輸入電流、輸出/LED電流和PWM調光。

降壓(Buck)轉換器

降壓LED驅動器通過高于LED串總電壓的電壓調節LED串中的電流。降壓LED驅動器可以安全地短接到系統地，確保其本質安全。它們具有底盤回流的能力（一條線用于供電），并且可以輕松適應矩陣或動畫應用。圖1和圖2中的示例原理圖顯示了控制器調節高壓側開關進行電流控制的基本系統圖。

圖1.降壓轉換器

降壓LED驅動器需要具備幾個關鍵特性：固定頻率操作、通過出色的開關控制和低電阻開關實現高效率、在整個模擬調光范圍內提供高精度，以及為獲得出色的EMI，適當設計擴頻調頻。

升壓(BOOST)轉換器

升壓LED驅動器通過低于LED串總電壓的電壓調節LED串中的電流。這在很多汽車系統中很有用，其中很多LED都需要在單個串中導通。典型的12 V汽車系統的工作電壓范圍為6 V至18 V，這需要將LED驅動器的電壓降到6 V，從而為LED提供較大的升壓比，以保持點亮。圖3和圖4中的示例原理圖顯示了控制器調節低壓側開關進行電流控制的基本系統圖。

圖2.降壓轉換器示例: LT3932

表1使用降壓轉換器作為LED驅動器的優勢和權衡取舍| 降壓LED驅動器的優點 | 降壓LED驅動器的權衡取舍 | 應用 |

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| 接地燈串-底盤回路 | 輸入電壓必須高于LED電壓 | 遠光燈/近光燈 |

| 矩陣開關可以并聯整個燈串 | 大多數汽車系統需要預升壓調節器 | 轉向燈/動畫 |

| 更高的帶寬（> fSW的1/5） | | 矩陣式前照燈 |

| 出色的EMI性能 | | 短路安全系統 |

| 最小電感尺寸 | | |

圖4.升壓轉換器示例： LT8356-1

表2使用升壓轉換器作為LED驅動器的優勢和權衡取舍| 升壓LED驅動器的優勢 | 升壓LED驅動器的權衡取舍 | 應用 |

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| 接地-底盤回路 | 輸入電壓必須高于LED電壓 | 遠光燈/近光燈 |

| 通常情況下總值最小解決方案尺寸 | 更低的帶寬（SW的1/20） | 平視顯示器 |

| 良好的EMI性能 | 更高的額定電感電流 | 背光 |

| 電池直接向LED轉換 | 無法將輸出短接到地 | |

使用升壓轉換器進行升壓-降壓

一些升壓LED驅動器可配置為將LED陰極返回電源。這種配置稱為降壓-升壓。總輸出電壓為VIN (V BATTERY )，該電壓加到LED串總電壓中。這種拓撲結構的優點是能夠驅動一個高于、低于或等于電源電壓的LED串。這種拓撲結構的局限性是只受轉換器的限制--低端受控制器IC的最小電源電壓限制，高端受控制器IC的最大輸出電壓限制。

圖6.升壓-降壓轉換器 LT8386

表3使用升壓-降壓轉換器作為LED驅動器的優勢和權衡取舍| 升壓-降壓LED驅動器的優勢 | 升壓-降壓LED驅動器的權衡取舍 | 應用 |

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| 電池直接向LED轉換 | 效率較低 | 遠光燈/近光燈 |

| LED電壓可能高于或低于電源電壓 | 更低的帶寬（SW的1/20） | 轉向燈 |

| 良好的EMI性能 | 更高的額定電感電流 | 日間行車燈 |

| 可使用矩陣來短接整個燈串 | 無法將輸出短接到地 | 同一輸出上有多個燈串 |

使用升壓轉換器的降壓模式

一些升壓LED驅動器可配置為從電源降壓（而不是在標準降壓模式下以地為參考），從而構成降壓模式配置。這種配置與降壓模式具有同樣的局限性，即LED串的總電壓必須低于輸入電源電壓。圖8.降壓模式示例: LT3756-2

表4使用降壓模式轉換器作為LED驅動器的優勢和權衡取舍| 降壓模式LED驅動器的優勢 | 降壓模式LED驅動器的權衡取舍 | 應用 |

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| 良好的EMI性能 | 輸入電壓必須高于LED電壓 | 遠光燈/近光燈 |

| 可使用矩陣來短接整個燈串 | 大多數汽車系統需要預升壓調節器 | 轉向燈 |

| 可將同一驅動器用于多種應用 | 無法將輸出（LED陰極）短接到地 | 日間行車燈 |

降壓-升壓轉換器

降壓-升壓LED驅動器通過高于或低于LED串總電壓的電源調節LED電流。該轉換器在降壓模式下調節連接到輸入電壓的高壓側開關，在升壓模式下調節輸出側的低壓側開關。這種拓撲結構最復雜，但也是最靈活的。VIN和VOUT的范圍僅受控制器IC的限制。對于矩陣型應用，這是一種不錯的選擇。圖10.降壓升壓示例: LT8391

表5使用降壓-升壓轉換器作為LED驅動器的優勢和權衡取舍| 降壓-升壓LED驅動器的優勢 | 降壓-升壓LED驅動器的權衡取舍 | 應用 |

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| 最通用的拓撲 | 至少需要兩個開關和兩個續流二極管 | 遠光燈/近光燈 |

| 可使用矩陣來短接整個燈串 | 通常情況下，轉換效率最低 | 轉向燈 |

| 可將同一驅動器用于多種應用 | 通常情況下，EMI性能最低（差） | 日間行車燈 |

| | | 短路安全系統 |

結論

汽車LED照明系統可通過多種不同的方式使用開關穩壓器驅動。根據應用的不同，照明設計人員可通過選擇開關拓撲和配置，針對整個汽車的不同照明要求，設計完整的子系統。為系統選擇正確的功率轉換開關拓撲和配置可優化復雜性、效率、EMI和安全性等要求。

審核編輯：郭婷