解析3S3P尾灯LED驱动器参考设计

 

    多数汽车的尾灯和刹车灯采用同一组LED,这就要求LED工作在两个不同的亮度等级：刹车时处于全亮状态，作为尾灯行驶灯时处于10%~25%满亮度状态（可调光）。调光方式选择脉宽调节（PWM），能够在整个亮度范围内保持LED的色谱。另外，采用内置200Hz振荡电路的LED驱动器可以省去外部PWM信号发生器，简化设计。尾灯（可调节LED亮度）和刹车灯（全亮状态）受控于LED驱动器的TAIL和STOP输入，当TAIL端施加电压时，尾灯LED驱动到满亮度的10%至25%.当STOP端施加电压（刹车）时，LED驱动至满亮度状态（无论TAIL端输入处于何种状态）。

    综述

    该参考设计采用MAX16823 3通道线性LED驱动器和外部BJT,实现3S3P RCL驱动电路。图1和图2给出了PCB和安装了散热器的图片；图3为参考设计的电路板布局；图4为参考设计的原理图。

    以下详细讨论了该参考设计，给出了主要功能电路的分析、设计规格以及测试数据。

图1. PCB和安装的散热器

图2. 安装了散热器的侧视图

图3. LED驱动器布线

图4. LED驱动器原理图

    设计分析

    参考设计由四部分电路组成：输入保护电路与输入选择器、10%占空比发生器、抛负载和双电池检测、LED驱动电路。

    输入保护

    输入保护主要由金属氧化物变阻器MOV1和MOV2提供。设计中，我们采用了Littelfuse的V18MLA1210H （EPCOS也提供高质量的MOV器件）。根据具体应用环境选取不同额定焦耳的MOV.

    输入选择器

    输入电压建立后，除非刹车灯/转向灯输入端作用有效电源，否则，输入选择器将电源切换到尾灯节点。一旦电源为刹车灯/转向灯输入供电，输入选择器将自动屏蔽尾灯输入电流。这种架构将为刹车灯/转向灯输入提供600mA电流，指示RCL功能。当LED驱动器发生故障或者LED本身发生故障时，MAX16823将彻底关断所有LED,此时只有不足5mA的电流流出刹车灯/转向灯。灯的输出级电路能够成功检测到这一低电流，根据设计要求发出报警信号。

    D5、R16组成检测电路。当尾灯输入节点电压为9V或更高电压，并且刹车灯/转向灯输入节点接地或为高阻时，该检测电路打开Q4.输入电压通过二极管D3加载到VIN,提供LED驱动器的主电源。当刹车灯/转向灯输入电压达到尾灯电压的2V以内时，Q4断开，VIN通过二极管D4供电。R17提供2.1kΩ对地电阻，确保此节点的阻抗。R17在双电池条件下（24V）功率达到270mW,所以必须选取0.5W功率的电阻。这个电路的主要限制是：当刹车灯/转向灯和尾灯同时工作时，假设刹车灯/转向灯输入电压与尾灯输入电压的差值在2V以内。

    10%占空比发生器

    10%占空比发生器产生占空比为10%的方波信号，该信号送入MAX16823 LED驱动器，用于调节LED亮度。只要尾灯输入端提供有效电压，调光电路将有效工作。R10和D2提供5.1V稳压源，用于U3 （ICM7555ISA）供电。双电池条件下，由于功耗可能达到44mW,所以R10必须选取0.25W功率的电阻。定时器U3配置为非稳态振荡器，导通时间由通过D1和R11对C6充电的时间决定（tON = 0.693 × R11 × C6 = 0.418ms [典型值]）；关断时间由通过R12对C6放电的时间决定（tOFF = 0.693 × R12 × C6 = 3.8ms [典型值]）。导通时间和关断时间之和构成周期大约为237Hz的方波信号，占空比为9.9%,图5为占空比周期。

    电阻R13提供限流保护，降低该开关节点可能产生的EMI辐射。R13的物理位置应尽量靠近U3,以降低EMI.占空比为10%的方波信号通过D7和R14耦合至U1.只要刹车灯/转向灯没有有效电源，D7提供的逻辑"或"电路将允许10%占空比脉冲通过。这种配置在尾灯输入作用有电源电压时，提供较低的LED亮度。而当刹车灯/转向灯输入作用有效电压时，D7将电压提供至DIM1、DIM2和DIM3输入，使LED亮度达到100% （高LED亮度）。因为LEDGOOD信号不能超出6V,电阻R14将电流限制在2mA以内，D9和D2提供电压箝位，避免过高的节点电压。当D7阳极没有作用电压时，电阻R15为下拉电阻。使用400kΩ电阻时，R15将保持DIM节点电压低于0.6V,此时的吸电流为1.5μA-远低于DIM输入的0.1μA源出电流。

图5. 振荡器输出
 

    抛负载和双电池检测

    抛负载和双电池检测电路决定"或"逻辑输入电压是否超过21V.输入电压超过21V意味着发生抛负载（400ms）或双电池条件（无时间限制），这将在三个LED驱动晶体管上产生过大的功耗。因此，检测电路将DIMx输入拉低，关闭输出驱动器。另外，检测电路还将LGC电容（C2）拉低，以避免可能发生的错误检测。由于DIMx和LGC引脚电压被控制在10V以内，Q5和D6的额定电压并不严格。检测电压是D8击穿电压与R18对地电压的总和，大约为22V.当电阻为20kΩ时，R9将在Q5导通之前产生20μA的旁路漏电流。

    用于3S3P RCL的LED驱动器

    RLC亦指由电阻R,电感L,和电容C组成的电路。无线链路控制协议RLC层位于MAC层之上，为用户和控制数据提供分段和重传业务。每个RLC实体由RRC配置，并且根据业务类型有三种模式：透明模式（TM）、非确认模式（UM）、确认模式（AM）。在控制平面，RLC向上层提供的业务为无线信令承载（SRB）；在用户平面，当PDCP和BMC协议没有被该业务使用时，RLC向上层提供无线承载（RB）；否则RB业务由PDCP或BMC承载。

    Q1、Q2和Q3为45V、2A晶体管，当IC/IB增益为200倍时具有低于200mV的饱和压降VCE（Sat）。因为输入电压（9V）和LED串导通电压（3 × 2.65V = 7.95V）之间的压差只有1.05V,所以VCE（Sat）的额定值非常重要，必须留有足够的设计裕量，以满足Q4和D3的压降，以及Q1、Q2和Q3的VCE（Sat）要求，详细信息请参考数据表。

    电阻分压网络R1/R2、R3/R4和R5/R6保证每个OUTx的输出电流不小于5mA,从而确保IC稳定工作。设计步骤中，分析晶体管基极电流的值和值。这些电流流经电阻R1、R3和R5.电阻压降、晶体管的VBE以及检流电阻压降之和为R2、R4和R6两端的电压。合理选择这些电阻，以保证流过电阻的电流与晶体管基极电流之和不小于5mA.另一方面，OUTx的输出电流必须小于70mA （额定电流），详细信息请参考数据表。

    散热考虑

    本设计中调整管需要耗散的功率达到6W,为了降低晶体管的温升，将晶体管焊盘通过多个过孔连接到PCB的底层，并通过电绝缘（但导热）的粘胶垫将热量传递到铝散热器上。散热器耗散6W功率时自身温度上升31°C.虽然Zetex的晶体管没有给出结到管壳的热阻，但可以参考其他晶体管供应商提供的TO-262封装的热阻，约为3.4°C/W.该热阻表示每个晶体管内部的温度会比管壳高出5.4°C.总之，在差工作条件下，结温比环境温度高出35°C至40°C.本参考设计实际测量的温度大约高出30°C.

    瞬态响应

    图6和图7给出了尾灯供电时晶体管的瞬态响应。测试时，振荡器输出10%占空比的脉冲信号对MAX16823进行脉宽调制，驱动外部晶体管导通/关断；图6中下冲持续3μs,图7中过冲持续100μs,均不会引起任何问题。

图6. 晶体管导通时，Q1的集电极波形(V_IN = 12.5V)

图7. 晶体管断开时，Q1集电极的波形(V_IN = 12.5V)