一款基于通用IC的低成本汽车日行灯HB LED驱动电路的设计
2009-06-01
作者：刁智海，马 皓
摘 要： 设计了一款基于通用IC LM5022的低成本汽车日行灯HB LED驱动电路，实现了HB LED的恒流驱动和PWM调光，并能满足日行灯的有关驱动要求。详细介绍了调光控制线路的设计，并对调光信号的时序和调光比影响因素等进行了分析，给出了主要实验参数和实验结果，输入电压6～19 V，输出电压40～57 V，PWM调光占空比可调5％～100％，输出LED电流200 mA，有关实验验证了本设计的可行性。
关键词： 高亮度LED；LM5022；恒流；PWM调光
高亮度LED（HB LED）及其驱动得到了越来越多的关注，并取得了许多研究成果[1-2]。其中高亮度LED前灯是目前国际汽车灯具领域的研究热点。高亮度LED用于汽车大灯是未来的发展方向，其中HB LED日行灯已开始作为产品应用于一些高档轿车。汽车前灯主要包括信号单元、日行灯和前大灯。由于HB LED的光效、成本和散热所限，暂时仅有信号单元广泛商品化，前大灯仍在开发阶段，尚未大规模生产。目前日行灯已有几种样式，自2004年首次应用于奥迪A8型汽车以来，已开始在西方国家普及[3]。
日行灯对HB LED驱动要求较高：输入输出电压范围大，输出电压高，占空比大，恒流驱动，可PWM调光，可耐受汽车级温度等[1，4]。在HB LED的专用驱动IC中，凌特、美信、国半等公司有相关IC，但能全部符合上述条件的IC并不多。LT3478、LT3517等由于内部集成主MOS管，使开关管电压和电流受限；MAX16816、MAX16831等由于受最大占空比限制，在输入低压、输出电压较高场合应用有难度；LT3755、LTC3783、LM3423等IC可满足要求，这些IC性能较强，调光比高，功耗较低。但是目前专用IC成本较高，而且日行灯不需要如此高的调光比。
针对这种现状，可以考虑通用芯片的方案。通用芯片的问题是不容易实现PWM调光，如果能够通过添加简单的外围电路来解决，就可以在满足性能的基础上压缩成本。
本文选用通用电流型电源管理芯片LM5022，基于其价格相对较低、输入输出电压范围大和最大占空比大等优点[5]，设计了一款汽车日行灯HB LED的驱动电路，通过控制软启动引脚和补偿网络的方法实现了HB LED的PWM调光，并对有关设计进行了探讨。满足有关驱动要求，降低了成本。
1 驱动电路的设计要求和设计原理
1.1 设计要求
输入电压6～19 V，标称值12 V，输出电压40～57 V，PWM调光频率100 Hz(其占空比可调5％～100％)，LED灯型号为LW G6SP-CADB-2K6L-1，输出LED电流恒定200 mA。
1.2 电路框图与原理图
将整个电路划分为若干功能模块，确定其相互关系，如图1所示。
根据上述电路框图，对每个模块进行设计，得到整个电路的原理图，如图2所示。
输入电路：包括输入端滤波以及通过MOS管Q1作电源防反接保护。
主功率拓扑[2，5，6]：采用BOOST电路，工作在CCM模式。
输出电路：LC滤波减小输出纹波，LED负载串联，低端串联一电流检测电阻R21，以其电压作反馈实现恒流驱动。
PWM调光电路：调光MOS管Q4串联在LED负载低端，通过控制门极驱动占空比线性调节LED平均电流，实现PWM调光。门极驱动电路主要是为Q4提供足够的驱动电压和电流，同时也为控制电路提供与调光PWM同相的信号。
控制电路[5，7]：以LM5022为核心元件，控制方式为峰值电流模式，芯片内置斜坡补偿。电路还有输入欠压、输出过压、输入过流和热保护。PWM调光的控制电路是整个设计的关键。
2 PWM调光控制电路的研究和设计
2.1 LM5022 DEMO[7]的PWM调光控制
LM5022 DEMO板中的PWM调光控制电路如图3所示。
当Q1导通时，COMP端接地，主电路停止工作。C2和C3不会保持之前恒流工作时的电荷状态。当Q1再次关断时，C2和C3要经过重新调整才能到达所设电流值的稳态。会影响输出电流方波的上升沿，以及影响调光比和调光效果。
2.2 改进的PWM调光控制
改进后的PWM调光控制电路如图4所示。
当Q4关断时，控制电路要完成两个任务：(1)开关S2快速切断反馈回路，反馈环上的电容C11和C12保存电荷，记忆恒流控制状态，从而当Q4再次导通时，LED电流无需调整，直接稳定工作。(2)通过开关S1切换，使SS脚通过R4接地，主开关管Q3截止，BOOST主电路停止工作，电路不会因空载而输出过压，同时软启动电容C10处于悬空状态，故C10上电荷得到保存。当Q4再次导通时，S2接通，切换S1使C10接地，电路不需经过软启动重新建立。这样输出方波电流的上升沿就很陡，调整时间较短，可实现较高的调光比和较好的调光效果。
2.3 相关器件的选择
两个开关S1和S2的选择非常重要。电容需要充放电通道，开关的双向都要求能通过电流；漏电流要很小；响应时间要很快；电流通道阻抗越小越好。综上所述，比较合适的选择是模拟开关，S1为单刀双掷模拟开关，S2为单刀单掷模拟开关。
2.4 调光信号的时序问题
为了确保PWM调光的顺利实现，即相关电容上的电荷在Q4关断期间能尽量保持，需要着重注意以下几个信号的时序问题：芯片SS脚动作的边沿信号，单刀单掷模拟开关动作的边沿信号，调光MOS管动作的边沿信号。为表述方便，分别将其切换时间记为tSS、t反馈环和t调光管。对于较好的动作过程，理论上希望有以下关系：
并且三者的间隔时间越小，电路调光效果越好，可实现的调光比越高。
用图5(a)和(b)表示上述关系，可以看到，这三个信号的脉冲宽度一个比一个大，因此需要添加特殊的延时电路来实现，这样操作起来就会很复杂，而且影响调光精度。
经过实验研究比较，发现：只要这三个边沿信号的时间间隔足够短（本例中小于5μs），三者的顺序不必严格遵守上述排列，电路的正常工作不会受到影响。而且比较容易实现。这是因为，如果时间间隔足够短，即使相关电容有放电，损失电荷也极少，需要恢复调整的时间也就极短，对电路工作影响较小。当然，时间间隔越短，时序关系越正确，调光也就越高。
2.5 关于调光比
对PWM调光而言，调光比是一个比较重要的指标，下面作相关分析说明。
(4)一般情况下，输出电容值越大，主电感值越小，肖特基二极管的反向漏电流越小，则调光比会越大。
(5)上节中曾提到，调光信号的时序越正确，间隔越小，则调光比越大。
这些也适用于其他LED驱动。
2.6 PWM调光的其他控制方法
不是所有的通用芯片都有SS脚，但调光原理是相通的。其他引脚如RT、主MOS管门极驱动电源、UVLO、Enable等，只要可以使能和止能芯片输出，并符合上述调光原则，就有可能与补偿网络配合控制实现PWM调光。
3 实验参数与实验结果
主要实验参数如下：主电路工作频率fSW=500 kHz，BOOST主电感L2=100 μH，输出电容C14=47 μF，输出电流检测电阻R21=6.2 Ω，峰值电流检测电阻R20=0.1 Ω。
图6分别给出了输入12 V输出48 V时，在10%、50%、90%调光占空比下SS端电压、输出电压和输出电流的波形。随着调光占空比增大，输出电压和200mA输出电流表现稳定，且纹波小，软启动脚电压表现正常，达到预期效果。
图7给出了输入12 V输出48 V时，50%调光占空比下反馈网络电容C11和C12两端电压波形，电压几乎恒定，模拟开关表现正常。
图8给出了输入12 V输出48 V时，50%调光占空比下输出电流瞬态响应曲线，输出电流动态性能较好。 图9给出了输入电压12 V、输出电压48 V、不同调光占空比时，LED负载下的输出平均电流调光曲线，可以看到调光线性度较好。
图10给出了输出电压为48 V、不同输入电压时的50%调光占空比，LED负载下的输出平均电流曲线，可以看到恒流特性较好。
设计实现了基于通用电流型芯片LM5022的汽车日行灯HB LED驱动电路，在输入输出电压范围很宽的情况下，稳态精度高，动态响应快，PWM调光线性度和恒流特性较好，电路简单。在满足性能的基础上，有可能降低整机成本。
本文所提出的PWM调光控制方法，也可用于其他一些通用芯片，对调光比影响因素的分析也适用于其他LED驱动。
参考文献
[1] GEORG S，DIRK H，HARALD R，et al.Driver electronics for LEDs[C].41st IEEE IAS Annual Meeting，2006：2621-2626.
[2] HEINZ V B，GEORG S，MATTHIAS W.Power driver topologies and control schemes for LEDs[C].Twenty second annual.Applied power electronics conference，IEEE APEC 2007：1319-1325.
[3] 申功烈.汽车工业点亮LED应用[J].汽车电子，2006(12)：23-28.
[4] 周志敏，周纪海，纪爱华.LED驱动电路设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2006.
[5] LM5022 60V low side controller for Boost and SEPIC.National Semiconductor Data Sheet，2007.
[6] 徐德鸿，马皓，汪槱生.电力电子技术[M].北京：科学出版社，2006.
[7] Designing a boost LED driver using the LM5022.National Semiconductor Application Note 1696，2008.