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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時間、更高的對比度和更低的功耗。控制LED燈串的LED驅動器一般由汽車電池供電，為簡化LED的光學和散熱設計，每個燈串中的LED數量一般不多于6個。對于標稱電壓為12V的電池，帶有線性穩流器的升壓轉換器（如圖1所示）可實現此功能。

圖1.由升壓轉換器和線性電流調節器組成的LED驅動器

2. 冷啟動條件

在汽車應用中電池電壓會發生改變。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計時均應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，并持續數秒，在數秒的上升時間內將恢復到標稱電壓范圍內。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品的電平和變化/持續時間會有所不同。圖2給出了典型示例。冷啟動可能發生在汽車負載突降及低溫環境下。盡管冷啟動持續時間不長，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. 設計考量

考慮到冷啟動條件，在設計LED驅動器時需要強大的升壓轉換器。參看圖1，電池電壓的變化僅會影響升壓轉換器，如果升壓轉換器可以在冷啟動條件下保持輸出電壓，那么線性穩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，只要沒有達到占空比的上限，升壓轉換器（而非升壓控制器）的輸入電壓可以設置的很低，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，之后則由升壓轉換器的輸出進行供電。這樣，只要升壓轉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換器

3.2輸入電流

LED燈串的亮度和升壓轉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開關的峰值電流都要遠大于正常工作下的值（當電池電壓降在標稱范圍內時）。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開關需要承受更高的導通電流。

3.3熱管理

冷啟動條件下，MOSFET開關的電流和占空比都要大于標稱工作時的值，這意味著MOSFET開關的傳導損耗會大幅增加。盡管冷啟動條件的持續時間很短，但MOSFET開關的溫度會大幅上升。如果MOSFET開關集成在升壓控制器IC內，為了使元件數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IC芯片的熱保護電路，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驅動器的電路，該電路使用了美國國家半導體的LM3492芯片。該電路驅動2個LED燈串，每個燈串都含有工作電流為100mA的6個LED。電路的標稱輸入電壓范圍為9V至16V，標稱開關頻率為300 kHz。該電路的基本組成元素包括一個升壓轉換器和一個雙通道線性穩流器。MOSFET開關集成在LM3492內，實現了更小的方案體積。LM3492的VIN針腳通過二極管連到輸入電壓，當電池電壓低于最低要求的4.5V時，芯片內部連接了VIN和VOUT引腳（后者連接升壓轉換器的輸出電壓）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LM3492參考設計

5. 測量結果

圖5-6顯示了輸入電壓為12V（標稱值）和2.8V（冷啟動時的最壞情況）下LM3492電路的波形。表1總結了LM3492電路工作在標稱條件和冷啟動條件下的測量結果。可以看到，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，其內部MOSFET開關的功率損耗也就相對較大。LM3492外殼上可測得90?C的溫升（標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%，盡管標稱輸入電壓范圍內的效率可高達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. 測量結果總結

6. 結論

考慮到汽車應用中的冷啟動條件，本文介紹了一款普遍用于LCD面板背光的LED驅動器電路。前面已經討論了一些特殊設計考慮，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的標稱輸入電壓下，可以實現約90%的高效率。