设计具有高功率密度恒定导通时间 DCDC 降压 LED 驱动器的大灯方案

1、前言

先进的汽车大灯需要动态照明功能来实现道路安全增强功能，例如自适应远光灯和自适应前照灯系统。这些功能使用 LED 矩阵管理器 (LMM) 对单个 LED 像素执行动态亮度变化。

正常亮度的大灯的LED电流在350mA到1A以上。对于这种电流水平，用传统设备构建的电路板尺寸往往很大。大灯的趋势是向更多的动态照明功能通道发展，需要有一个支持动态负载操作的高功率密度 DC/DC 降压 LED 驱动器，以进一步实现大灯驱动系统的小型化。

让我们回顾一下使用 LMM 实现的动态大灯的电子控制单元 (ECU) 要求。由于 LED 堆栈或总灯串电压会随着道路环境的不同而动态变化，因此提供电流的 LED 驱动器最好使用尽可能小的电容器。根据 [1]，升压至迟滞降压架构是 ECU 的最佳选择。降压转换器向 LED 提供连续输出电流，以最大限度地减小输出电容，如图 1 所示。

图 1：降压 LED 驱动器的输出电流

滞后控制方法最能支持 LED 的动态亮度变化，如图 2 所示。

图 2：DC/DC LED 驱动器的滞后操作

滞后操作的本质是开关频率将根据输出电压和输入电压的比率而变化，分别如图 3 和图 4 所示。

图 3：具有固定输入电压的开关频率与输出电压（滞后操作）

图 4：具有固定输出电压（滞后操作）的开关频率与输入电压的关系

2.恒定导通时间控制与迟滞控制——伪定频操作

对于迟滞控制的降压 LED 驱动器，开关频率根据输入电压和输出电压之间的关系而变化。改变开关频率有时是不可取的，尤其是在尝试最小化电磁干扰 (EMI) 时。大多数设计需要固定的开关频率，以便无源元件可以解决在该开关频率附近产生的 EMI。

恒定导通时间控制是一种基于滞后的控制方案，可提供伪固定频率操作。开关频率的占空比是输出电压与输入电压的比值。如果您可以控制开关金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的导通时间，使其与输出电压与输入电压的比率成正比，那么理论上，LED 驱动器的开关频率将保持不变相同。

图 5 和图 6 是恒定导通时间控制的 LED 驱动器和电感电流波形的概念框图。

图 5：恒定导通时间控制的降压 LED 驱动器的概念框图

图 6：不同 V IN -V OUT比率下的电感电流纹波

由于导通时间是根据 V IN和 V OUT比率控制的，占空比随定义的谷值电流限制而变化。因此，开关频率几乎保持不变，如图 6 所示。

3.现代ECU要求

一个典型的大灯 ECU 平均有 6 到 8 个输出通道，用于不同的灯光用途：远光灯、近光灯、日间行车灯、位置灯、转向指示灯、雾灯等。图 7 是一个典型的 ECU 框图。此类 ECU 的总输出功率范围为 60 W 至 120 W。这些规格需要一种小尺寸但高效的 ECU 解决方案 - 一种可以安装在车身内的狭窄位置而不会产生过多热量的解决方案。

图 7：典型的 ECU 框图

4.TPS92520-Q1 的功率密度优势

TPS92520-Q1 单片同步双通道恒定导通时间 DC/DC 降压 LED 驱动器有助于减小 ECU 解决方案尺寸并提供高功率转换效率。它具有可编程开关频率，工作频率高达 2.2MHz。它接受来自微控制器的串行外设接口命令，从而最大限度地减少设备周围用于参数设置的无源组件的数量。

将所有四个 N 沟道 MOSFET 集成到器件中不仅可以节省空间，还可以提高功率转换效率，因为 MOSFET 提供了较低的漏源电阻 (R DSON )。更重要的是，该器件以高于 1.8 MHz 的频率运行并减小了电感器的物理尺寸。在一个封装中包含两个降压通道，实现 ECU 的设备数量是通道数量的一半；例如，三个设备用于六个通道，四个设备用于八个通道。

总之，支持动态照明功能的现代大灯 ECU 需要降压 LED 驱动器。随着越来越多的通道具有动态照明功能，需要高功率密度的 LED 驱动器。高功率密度 LED 驱动器（例如 TPS92520-Q1）有助于实现小尺寸、高性能的车头灯 ECU。