摘 要： 設計了一款基于通用IC LM5022的低成本汽車日行燈HB LED驅動電路，實現了HB LED的恒流驅動和PWM調光，并能滿足日行燈的有關驅動要求。詳細介紹了調光控制線路的設計，并對調光信號的時序和調光比影響因素等進行了分析，給出了主要實驗參數和實驗結果，輸入電壓6～19 V，輸出電壓40～57 V，PWM調光占空比可調5％～100％，輸出LED電流200 mA，有關實驗驗證了本設計的可行性。
關鍵詞： 高亮度LED；LM5022；恒流；PWM調光
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高亮度LED（HB LED）及其驅動得到了越來越多的關注，并取得了許多研究成果[1-2]。其中高亮度LED前燈是目前國際汽車燈具領域的研究熱點。高亮度LED用于汽車大燈是未來的發展方向，其中HB LED日行燈已開始作為產品應用于一些高檔轎車。汽車前燈主要包括信號單元、日行燈和前大燈。由于HB LED的光效、成本和散熱所限，暫時僅有信號單元廣泛商品化，前大燈仍在開發階段，尚未大規模生產。目前日行燈已有幾種樣式，自2004年首次應用于奧迪A8型汽車以來，已開始在西方國家普及[3]。
日行燈對HB LED驅動要求較高：輸入輸出電壓范圍大，輸出電壓高，占空比大，恒流驅動，可PWM調光，可耐受汽車級溫度等[1，4]。在HB LED的專用驅動IC中，凌特、美信、國半等公司有相關IC，但能全部符合上述條件的IC并不多。LT3478、LT3517等由于內部集成主MOS管，使開關管電壓和電流受限；MAX16816、MAX16831等由于受最大占空比限制，在輸入低壓、輸出電壓較高場合應用有難度；LT3755、LTC3783、LM3423等IC可滿足要求，這些IC性能較強，調光比高，功耗較低。但是目前專用IC成本較高，而且日行燈不需要如此高的調光比。
針對這種現狀，可以考慮通用芯片的方案。通用芯片的問題是不容易實現PWM調光，如果能夠通過添加簡單的外圍電路來解決，就可以在滿足性能的基礎上壓縮成本。
本文選用通用電流型電源管理芯片LM5022，基于其價格相對較低、輸入輸出電壓范圍大和最大占空比大等優點[5]，設計了一款汽車日行燈HB LED的驅動電路，通過控制軟啟動引腳和補償網絡的方法實現了HB LED的PWM調光，并對有關設計進行了探討。滿足有關驅動要求，降低了成本。
1 驅動電路的設計要求和設計原理
1.1 設計要求
輸入電壓6～19 V，標稱值12 V，輸出電壓40～57 V，PWM調光頻率100 Hz(其占空比可調5％～100％)，LED燈型號為LW G6SP-CADB-2K6L-1，輸出LED電流恒定200 mA。
1.2 電路框圖與原理圖
將整個電路劃分為若干功能模塊，確定其相互關系，如圖1所示。
根據上述電路框圖，對每個模塊進行設計，得到整個電路的原理圖，如圖2所示。
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輸入電路：包括輸入端濾波以及通過MOS管Q1作電源防反接保護。
主功率拓撲[2，5，6]：采用BOOST電路，工作在CCM模式。
輸出電路：LC濾波減小輸出紋波，LED負載串聯，低端串聯一電流檢測電阻R21，以其電壓作反饋實現恒流驅動。
PWM調光電路：調光MOS管Q4串聯在LED負載低端，通過控制門極驅動占空比線性調節LED平均電流，實現PWM調光。門極驅動電路主要是為Q4提供足夠的驅動電壓和電流，同時也為控制電路提供與調光PWM同相的信號。
控制電路[5，7]：以LM5022為核心元件，控制方式為峰值電流模式，芯片內置斜坡補償。電路還有輸入欠壓、輸出過壓、輸入過流和熱保護。PWM調光的控制電路是整個設計的關鍵。
2 PWM調光控制電路的研究和設計
2.1 LM5022 DEMO[7]的PWM調光控制
LM5022 DEMO板中的PWM調光控制電路如圖3所示。
當Q1導通時，COMP端接地，主電路停止工作。C2和C3不會保持之前恒流工作時的電荷狀態。當Q1再次關斷時，C2和C3要經過重新調整才能到達所設電流值的穩態。會影響輸出電流方波的上升沿，以及影響調光比和調光效果。
2.2 改進的PWM調光控制
改進后的PWM調光控制電路如圖4所示。
當Q4關斷時，控制電路要完成兩個任務：(1)開關S2快速切斷反饋回路，反饋環上的電容C11和C12保存電荷，記憶恒流控制狀態，從而當Q4再次導通時，LED電流無需調整，直接穩定工作。(2)通過開關S1切換，使SS腳通過R4接地，主開關管Q3截止，BOOST主電路停止工作，電路不會因空載而輸出過壓，同時軟啟動電容C10處于懸空狀態，故C10上電荷得到保存。當Q4再次導通時，S2接通，切換S1使C10接地，電路不需經過軟啟動重新建立。這樣輸出方波電流的上升沿就很陡，調整時間較短，可實現較高的調光比和較好的調光效果。
2.3 相關器件的選擇
兩個開關S1和S2的選擇非常重要。電容需要充放電通道，開關的雙向都要求能通過電流；漏電流要很小；響應時間要很快；電流通道阻抗越小越好。綜上所述，比較合適的選擇是模擬開關，S1為單刀雙擲模擬開關，S2為單刀單擲模擬開關。
2.4 調光信號的時序問題
為了確保PWM調光的順利實現，即相關電容上的電荷在Q4關斷期間能盡量保持，需要著重注意以下幾個信號的時序問題：芯片SS腳動作的邊沿信號，單刀單擲模擬開關動作的邊沿信號，調光MOS管動作的邊沿信號。為表述方便，分別將其切換時間記為tSS、t反饋環和t調光管。對于較好的動作過程，理論上希望有以下關系：
并且三者的間隔時間越小，電路調光效果越好，可實現的調光比越高。
用圖5(a)和(b)表示上述關系，可以看到，這三個信號的脈沖寬度一個比一個大，因此需要添加特殊的延時電路來實現，這樣操作起來就會很復雜，而且影響調光精度。
經過實驗研究比較，發現：只要這三個邊沿信號的時間間隔足夠短（本例中小于5μs），三者的順序不必嚴格遵守上述排列，電路的正常工作不會受到影響。而且比較容易實現。這是因為，如果時間間隔足夠短，即使相關電容有放電，損失電荷也極少，需要恢復調整的時間也就極短，對電路工作影響較小。當然，時間間隔越短，時序關系越正確，調光也就越高。
2.5 關于調光比
對PWM調光而言，調光比是一個比較重要的指標，下面作相關分析說明。
(4)一般情況下，輸出電容值越大，主電感值越小，肖特基二極管的反向漏電流越小，則調光比會越大。
(5)上節中曾提到，調光信號的時序越正確，間隔越小，則調光比越大。
這些也適用于其他LED驅動。
2.6 PWM調光的其他控制方法
不是所有的通用芯片都有SS腳，但調光原理是相通的。其他引腳如RT、主MOS管門極驅動電源、UVLO、Enable等，只要可以使能和止能芯片輸出，并符合上述調光原則，就有可能與補償網絡配合控制實現PWM調光。
3 實驗參數與實驗結果
主要實驗參數如下：主電路工作頻率fSW=500 kHz，BOOST主電感L2=100 μH，輸出電容C14=47 μF，輸出電流檢測電阻R21=6.2 Ω，峰值電流檢測電阻R20=0.1 Ω。
圖6分別給出了輸入12 V輸出48 V時，在10%、50%、90%調光占空比下SS端電壓、輸出電壓和輸出電流的波形。隨著調光占空比增大，輸出電壓和200mA輸出電流表現穩定，且紋波小，軟啟動腳電壓表現正常，達到預期效果。
圖7給出了輸入12 V輸出48 V時，50%調光占空比下反饋網絡電容C11和C12兩端電壓波形，電壓幾乎恒定，模擬開關表現正常。
圖8給出了輸入12 V輸出48 V時，50%調光占空比下輸出電流瞬態響應曲線，輸出電流動態性能較好。 ?圖9給出了輸入電壓12 V、輸出電壓48 V、不同調光占空比時，LED負載下的輸出平均電流調光曲線，可以看到調光線性度較好。
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??? 圖10給出了輸出電壓為48 V、不同輸入電壓時的50%調光占空比，LED負載下的輸出平均電流曲線，可以看到恒流特性較好。
??? 設計實現了基于通用電流型芯片LM5022的汽車日行燈HB LED驅動電路，在輸入輸出電壓范圍很寬的情況下，穩態精度高，動態響應快，PWM調光線性度和恒流特性較好，電路簡單。在滿足性能的基礎上，有可能降低整機成本。
本文所提出的PWM調光控制方法，也可用于其他一些通用芯片，對調光比影響因素的分析也適用于其他LED驅動。
參考文獻
[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.汽車工業點亮LED應用[J].汽車電子，2006(12)：23-28.
[4] 周志敏，周紀海，紀愛華.LED驅動電路設計與應用[M].北京：人民郵電出版社，2006.
[5] LM5022 60V low side controller for Boost and SEPIC.National Semiconductor Data Sheet，2007.
[6] 徐德鴻，馬皓，汪槱生.電力電子技術[M].北京：科學出版社，2006.
[7] Designing a boost LED driver? using the LM5022.National?Semiconductor Application Note 1696，2008.