得益于優異的照明特性和效率，高功率 LED 在汽車外部照明設計中越來越流行。支持 LED 的電子器件必須快速、高效、高精度，以控制照明強度、方向和聚焦。這些器件必須支持較寬的輸入電壓范圍，且能夠在汽車無線電的 AM 頻段范圍之外工作，以避免電磁干擾(EMI)。電子器件還必須支持 LED 矩陣中要求的復雜照明模式，以支持自適應前燈照明系統。本文回顧典型的 LED 電源管理方案，并介紹支持快速、高效、高精度 LED 照明方案的創新 buck 控制器 IC。
LED 在汽車外部照明中的應用
由于相對于傳統技術具有顯著優勢，LED 正在汽車行業掀起一場風暴。LED 前燈中的白光具有優異的清晰度，從而減少駕駛員反應時間。自適應前燈照明系統(AFS)由 LED 矩陣支持，能夠產生快速、復雜的照明模式變化，提高駕駛員在不良照明條件下的能見度。夜間，AFS 能夠根據對向車輛的射束，自動調節照明模式，防止本方駛員被強光致盲。LED 照明開啟的上升時間比白熾燈光源快 2 倍，所以基于 LED 的制動燈點亮更快，提前警示駕駛員，提高道路安全。最后，與相當的白熾燈相比，LED 功耗更低，所以在耗能方面擁有明顯優勢。LED 控制器是負責操作 LED 的電子器件，在保持和增強 LED 固有的清晰度、速度和效率方面具有重要作用。
圖 1. LED 汽車前燈
LED 供電
LED 在汽車領域應用廣泛，被廣泛用于從單顆 LED 到 LED 燈串和矩陣的各種配置之中。為了實現最優性能，高亮度(HB)LED 要求恒流。電流與結溫及顏色有關。所以 HB LED 必須由電流而非電壓驅動。支持長燈串的電源可以是從 12V 汽車電池到高達 60V 升壓轉換器的任何電源。采用啟 / 停技術的汽車在引擎啟動時，電池壓降比較大，造成電池電壓下降到典型 12V 以下，甚至 6V 或更低。
調光
調光是許多汽車應用中普遍采用的功能，也是 LED 前燈的重要安全特性。照明燈從 100%調暗至 50%時，人眼幾乎覺察不到。為保證清晰辨別，必須調暗至 1%或更低。明白了這一點，就不會奇怪調光比為什么高達 1000:1 或更高。由于人眼在適當條件下能夠感知到單個光子，所以實際上該功能沒有限制。
為保證顏色，電流必須保持恒定，最佳的 LED 調光策略是 PWM(脈寬調制)，通過對電流進行時間上的分段式開關來調制光強，而不是更改幅值。為防止 LED 閃爍，PWM 頻率必須保持高于 200Hz。
采用 PWM 調光時，限制 LED 最小“開 / 關”時間的因素是開關穩壓器電感中電流上升 / 下降的時間。這可能造成數十微妙的響應時間，對于依賴于快速、復雜調光方法的 LED 前燈組來說，這一時間太慢了。此時實現調光的唯一方法是采用專用的 MOSFET 開關(圖 2 中的 SW1-K)對燈串中的每一顆 LED 進行獨立開 / 關。對電流控制環路的挑戰是能夠足夠快的從輸出電壓瞬態變化中恢復，這一瞬態變化由二極管投切引起。
LED 控制器特性
為達到最優效果，LED 控制器必須支持較寬的輸入電壓范圍，且具有如上文所述的快速瞬態響應。為降低射頻干擾以及滿足 EMI 標準，要求較高、受控良好的開關頻率，且位于 AM 頻帶范圍之外。最后，高效率能夠減少發熱，提高 LED 照明系統的可靠性。
前燈系統
精良的前燈系統采用升壓轉換器作為前端，管理輸入電壓(拋負載或冷啟動)和 EMI 輻射的變化。升壓轉換器提供穩定、足夠高的輸出電壓(圖 2)。專用的降壓轉換器使用該穩定電壓作為輸入，允許每個降壓轉換器控制單一功能，例如遠光、近光、霧燈、日間行車燈(DRL)、方向等，從而克服控制照明亮度和方向的復雜性。
該應用中，每個 buck 轉換器的主控制環路設置其 LED 燈串中的電流，兩個輔助環路實施過壓和過流保護。
典型高功率 Buck LED 驅動器方案
典型的 buck LED 驅動器方案如圖 3 所示。該方案使用 p 溝道、高邊 MOSFET，其 RDSON 比 n 溝道晶體管高；并采用非同步結構，肖特基二極管 D 用于電流回流。這兩者都是效率不高的因素。
圖 2. 高級 LED 照明系統
圖 3. 典型非同步 Buck LED 驅動器
典型瞬態響應
圖 4 所示為典型方案在瞬態響應方面的另一個缺點。本項測試的 12 顆 LED 組成的燈串中，上電二極管的數量從 8 個激增至 12 個。致使輸出電壓階躍產生電流和電壓波動，需要數十微妙的時間才能熄滅。高調光比 PWM 調光電路只在初始幾微妙內將對該電流進行采樣，此時幅值正在下降，造成調光亮度和顏色不正確。
同步高功率 Buck LED 驅動器方案
理想的方案應滿足寬輸入電壓范圍、快速瞬態響應、高且控制良好的開關頻率等要求，同時通過同步整流支持高效率。MAX20078 LED 控制器支持這樣的方案。(圖 5)。
圖 4. 帶有滯回 Buck 的典型瞬態響應
圖 5. 同步高功率 Buck LED 驅動器
MAX20078 LED 控制器采用專有的平均電流模式控制方法，在調節電感電流的同時保持開關頻率接近恒定。器件工作在 4.5V 至 65V 寬輸入電壓范圍，開關頻率高達 1MHz，同時支持模擬和 PWM 調光功能。器件采用節省空間(3mm x 3mm)的 16 引腳 TQFN 封裝(普通或 SW)或 16 引腳 TSSOP 封裝。
高效
圖 6 所示為基于 MAX20078 的 LED 驅動器的效率與電源電壓的關系。兩個 107m?同步整流 MOSFET 晶體管保證了整個寬輸入電壓范圍內都具有高效率。
圖 6.MAX20078 方案效率與電源電壓的關系
圖 7.MAX20078 瞬態響應
高工作頻率
MAX20078 的導通時間可編程，開關頻率范圍為 100kHz 至高達 1MHz。器件的導通時間與輸入電壓和輸出電壓成比例，這意味著開關頻率幾乎是恒定的。MAX20078 具有較高且控制良好的開關頻率，且在 AM 頻帶范圍之外，很容易設置。在降低射頻干擾的同時，擴頻特性滿足 EMI 標準。
總結
我們回顧了復雜 LED 照明系統供電中存在的諸多挑戰，以及最優化 LED 系統性能的要求。我們介紹了 MAX20078 如何通過創新的 LED 控制器架構來克服這些挑戰，提供高精度平均電流控制、AM 頻帶范圍之外的高工作頻率、支持高調光精度的良好瞬態響應，以及高效率，最大程度降低功耗。這些特性支持優異的汽車外部照明，且效率更高，支持復雜的照明模式和更高精度的照明亮度、方向和聚焦控制。