冷启动条件下的LED驱动器设计

近年来，采用LED灯串为汽车提供LCD面板背光越来越普遍。使用LED的好处包括快速的响应时间、更高的对比度和更低的功耗。控制LED灯串的LED驱动器一般由汽车电池供电，为简化LED的光学和散热设计，每个灯串中的LED数量一般不多于6个。对于标称电压为12V的电池，带有线性稳流器的升压转换器(如图1)可实现此功能。

　　图1 由升压转换器和线性电流调节器组成的LED驱动器

　　冷启动条件

　　在汽车应用中电池电压会发生改变。通常，一个12V电池，其电压会在9V到16V之间变化。因此，汽车电池供电的电路在设计时均应考虑输入电压的变化情况。此外，如果考虑冷启动条件，对于15ms左右较短的持续时间，最坏情况下，电池电压将低至3V±0.2V，如2.8V。而后电池电压升到6V，并持续数秒，在数秒的上升时间内将恢复到标称电压范围内。冷启动条件下的电池电压曲线与之类似，但不同汽车制造商所提供的产品的电平和变化/持续时间会有所不同。图2给出了典型示例。冷启动可能发生在汽车负载突降及低温环境下。尽管冷启动持续时间不长，但仍需确保LCD面板和安全电子部件等重要的汽车组件以保证正常运行。

　　设计考量

　　考虑到冷启动条件，在设计LED驱动器时需要强大的升压转换器。参看图1，电池电压的变化仅会影响升压转换器，如果升压转换器可以在冷启动条件下保持输出电压，那么线性稳流器的工作就不受影响，LED灯串的亮度也会保持不变。由于冷启动条件下的输入电压值极低，因此设计时还需要考虑一些其他因素，包括：

　　图2 典型冷启动电池电压曲线

　　升压控制器工作范围

　　理论上说，只要没有达到占空比的上限，升压转换器(而非升压控制器)的输入电压可以设置的很低，但是“升压控制器”(通常是一个IC芯片)的工作电压则有一个更低的下限值。大部分升压控制器的工作电压不得低于3V。不过如前所述，在冷启动时，最坏情况下电池电压可以低至2.8V，令升压控制器工作(而不是上电即可)在低输入电压下的常规方法是以双电源路径为升压控制器供电，包括电池电压和升压转换器的输出电压，通过二极管回连到升压控制器的输入端子(如图3)。此类情况下，在上电过程中“升压控制器”由电池供电，之后则由升压转换器的输出进行供电。这样，只要升压转换器可以提供正常的输出电压，输入电压的压降就不会影响升压控制器的工作。

　　输入电流

　　LED灯串的亮度和升压转换器的输出功率需要保持不变，所以，输入电流会随着输入电压的减小而增大。这即意味着在冷启动条件下，电感器和MOSFET开关的峰值电流都要远大于正常工作下的值(当电池电压降在标称范围内时)。例如，电池电压为3V时其输入电流大约是12V时的4倍。所以在选择时，电感器需要有更大的饱和电流，而MOSFET开关需要承受更高的导通电流。

　　图3 带双电源供电的升压转换器

　　热管理

　　冷启动条件下，MOSFET开关的电流和占空比都要大于标称工作时的值，这意味着MOSFET开关的传导损耗会大幅增加。尽管冷启动条件的持续时间很短，但MOSFET开关的温度会大幅上升。如果MOSFET开关集成在升压控制器IC 内，为了使元件数量和解决方案尺寸最小化，那么有效的散热方案就非常重要，因为不佳的热管理会触发IC芯片的热保护电路，使LED意外断电。