基于ROHM的車載背光燈用LED驅動器電路設計

前言

LED光源已在眾多汽車應用中迅速普及。ROHM憑借高效的LED光源驅動技術，打造了用于尾燈、背光燈以及前照燈的LED驅動器等豐富的產品陣容。在此，將為您介紹用于背光燈的LED驅動器。

車載背光燈用LED驅動器的開發

近年來，在車載用顯示器領域，為滿足有害物質限制要求，使用水銀的CCFL背光燈正在被LED背光燈迅速取代。另外，儀表盤、汽車導航、音響顯示、后座娛樂等各種車載用顯示器正朝多樣化、大型化方向發展。在這種趨勢下，對于增加LED燈數量以及高亮度、高調光率的要求日益高漲。ROHM為滿足LED燈數量增加的這種發展趨勢需求，將實現高耐壓的升降壓DC/DC轉換器、可多燈驅動小功率LED且實現了高調光率的電流驅動器電路內置于一枚芯片，擴充了LED驅動器產品陣容。

接下來介紹ROHM開發的背光燈用LED驅動器BD81A34EFV-M。

BD81A34EFV-M大致由DC/DC轉換器部、電流驅動器部、保護電路部三個功能塊組成(圖1)。

圖1 BD81A34EFV-M的框圖

作為背光燈的驅動，首先是由DC/DC轉換器，生成一定的電壓。將DC/DC轉換器的輸出連接到面板的LED陽極側，由LED的陰極側向LED驅動器灌入恒定電流，使LED發光。為支持小功率的多燈LED驅動，LED的通道數(可連接的列數)設計為4。

通過控制DC/DC轉換器的開關占空比，使輸出達到高于LED陽極引腳的電平，其中包含了鏈接于電流驅動器的LED段數部分，也就是由LED產生的VF，通過LED驅動器的誤差放大器進行反饋控制，使連接于IC的LED陰極引腳(LED1~4引腳)為1.0V。通過上述控制，電流驅動器部即可保持LED電流恒定。作為面板的亮度調整之用，輸出的電流具有PWM-dimming(PWM調光)功能。LED電流的占空比可與外部的PWM信號輸入同步變化。不僅如此，BD81A34EFV-M還搭載LED開路與短路故障保護、LED接地故障保護、DC/DC轉換器輸出過流與過壓保護功能，完善的保護電路非常有助于提高面板的可靠性。

上面介紹了DC/DC轉換器電路、電流驅動器電路，接下來按順序介紹ROHM的車載LED驅動器的特點---防閃爍電路。

升降壓DC/DC轉換器

面對車載特有的電池電壓波動和多樣化的LED燈數，以升壓方式和降壓方式很難進行LED的閃爍控制與平臺設計，要滿足市場所要求的高可靠性與縮短開發周期之間的平衡實屬不易。因此，為了不依賴電池電壓、可以始終穩定供給DC/DC轉換器輸出電壓，ROHM采用了一種稱為“REGSPIC結構”的獨有升降壓方式。下面介紹REGSPIC結構與一般的升降壓方式所用的SEPIC結構相比所具有兩個優點。

① 減少外置部件

圖2表示SEPIC與REGSPIC的電路構成。由圖2可見，REGSPIC結構中，面積占有率最高的線圈較少，可實現小型化和低成本化。另外，減少了電感，還可提高由線圈損耗部分相應的效率。

圖2 SEPIC和REGSPIC的電路構成

② 實現高可靠性

圖2的SEPIC結構中，C1對于輸出電壓像電荷泵一樣工作，因此，Q1需要達到DC/DC轉換器輸出電壓

(VOUT)+電池電壓的耐壓水平。另一方面，REGSPIC結構中，由于耐壓達到DC/DC轉換器輸出電壓和電池電壓二者較高一方以上即可，因此，REGSPIC結構由低耐壓部件組成，更容易控制。

另外，Q2不僅用于升降壓控制，還可作為LED陽極和二極管等外置部件接地短路時切斷與電池間通路的開關使用，因此，發生異常時可保護外置部件，有助于實現更高可靠性。而SEPIC結構中，為切斷與電池間的通路，將Q3僅作為開關使用。

高調光率的電流驅動器

為滿足車載面板向高亮度化方向發展的趨勢需求，ROHM已完成了高調光率LED驅動器BD81A34EFV-M的技術開發。下面針對面板的高亮度化為何需要更高的調光率進行說明。面板亮度雖然可以更高，但所要求的最低亮度水平幾乎不變?？紤]到輸出在暗處等人眼不覺疲勞的低亮度的情況，如果最高亮度(調光率100%)低一些，即使低調光率也可輸出低亮度，但近年來，面板規格一般最高亮度都非常高，因此，低亮度輸出時需要具備高調光率。

BD81A34EFV-M為了實現高調光率，利用ROHM獨有的技術提高了電流驅動器輸出LED的響應性能。根據外部PWM輸入占空比對LED電流進行開關控制。此時，在PWM信號低電平時關斷電流驅動器電路，在高電平時導通電流驅動器電路，根據ON/OFF區間的時間比調整LED電流。輸入PWM與輸出電流完全同步并時序一致是理想的結果，只要能實現這一點，即可實現高亮度。而實際上，從輸入PWM信號到電流輸出會產生電路延遲，由于該延遲，使得無法生成該時間寬度以內的脈沖。

電流驅動器電路中搭載了電流控制用放大器，但按以往的PWM調光方式，在電流驅動器電路OFF→ON時點，作為該內部放大器的啟動時間會產生數μs 指令的電路延遲。隨著市場對調光率的要求越來越高，該電路延遲已無法忽視。因此，ROHM搭載的PWM調光電路，使放大器的啟動時間降到最低，從而實現了更高調光率。

具體如圖3所示，電流驅動放大器擁有LED電流輸出用的反饋電路和另一條反饋電路。

圖3 電流驅動放大器的反饋電路

這兩條反饋通路由各SW進行切換。在PWM=High(LED為ON)區間，驅動LED電流輸出用的反饋電路(圖3反饋電路1)，由LED引腳灌入LED電流。在PWM=Low(LED為OFF)區間，驅動另一條反饋電路(圖3反饋電路2)，由內部恒定電壓VREG產生電流。通過進行這樣的控制，LED電流雖然是關斷的，但電流驅動放大器始終處于驅動狀態，PWM=Low→High時可平穩生成LED電流。由于反饋通路2的電流I2已設定為數μA，因此，本電路結構的功耗增加量已達到可以忽視的水平。

圖4為LED電流在有無與輸出不同的反饋通路時對PWM信號的跟隨性如何變化的比較數據。

圖4 有無與輸出不同的反饋電路的LED電流跟隨性比較

在沒有另外的反饋通路時，從PWM=OFF→ON時點開始，到生成LED電流會產生約10μs的延遲時間。與此相比，在有另外的反饋通路時，幾乎沒有延遲時間，可跟隨到最小達1μs的PWM脈沖寬度。假設PWM頻率為100Hz，那么如果是1μs的脈沖寬度，則可實現10000：1的調光率。綜上所述，BD81A34EFV-M實現了高調光率，非常有助于面板的高亮度化。

防止LED閃爍的DC/DC轉換器輸出電壓放電電路

將DC/DC轉換器輸出作為LED陽極控制LED時的問題在于，從DC/DC轉換器的OFF狀態再啟動時會出現LED閃爍現象。

當因向LED驅動器輸入啟動OFF信號以及異常檢測時的保護動作等而關斷DC/DC轉換器的開關輸出時，輸出電容里會有殘存電荷。殘存電荷通過DC/DC轉換器輸出電壓反饋用的電阻分壓電路(圖5 ROVP1、ROVP2)進行放電。但是，放電時間達數秒之長，因此，必須考慮到在這種電荷殘留狀態下再啟動的情況。在這種情況下，殘留電荷通過LED元件進行放電，之后進行正常的啟動控制。這種瞬間放電表現為LED的閃爍。

圖5 防LED閃變電路

傳統上，為防止這種閃爍，一般選擇以下兩種方法之一。第一種方法是如圖5-1所示，給DC/DC轉換器輸出追加外置開關元件，在電路OFF時強制放電。這種方法可以避免再啟動時的閃爍，但需要增加開關元件和限流電阻等，部件數量會增多。

第二種方法是如圖5-2所示，降低過壓保護用電阻值。降低電阻分壓電路的電阻值，促進殘留電荷的放電。這種方法的問題是正常工作時的功耗會增加。

因此，BD81A34EFV-M如圖5-3所示，在IC中內置了防閃爍用輸出放電電路。該電路使輸出電荷的放電僅需數ms指令即可完成。而且，還不會增加外置部件數量和功耗。例如，在BD81A34EFV-M的外置部件推薦值Cout=20uF、ROVP1=360kΩ、ROVP2=30kΩ的條件下，設DC/DC轉換器輸出電壓(Vout)為30V時，

無輸出放電電路：放電時間=約7.8s

有輸出放電電路：放電時間=約1.5ms

可大幅縮短放電時間，并可防止因此導致的LED閃爍。

未來展望

未來，高性能化會進一步發展，對此，ROHM會繼續推進內置通信功能、多通道LED驅動器的開發。通過內置通信功能，不同的型號可通過通信設定不同的LED電流、電壓、保護功能等，每種型號無需創建驅動電路，可推進平臺化發展。不僅如此，通過搭載Diagnostic(診斷)功能，實時監測LED電流及異常狀態等并反饋到微控制器側成為可能，可實施適合不同情況的控制，提升設備的安全性能。另外，通過多通道化，使驅動各種燈類(DRL、轉向燈、位置燈等) 的驅動電路可集成于1枚IC，從而可靈活應對所需的通道數。ROHM將會繼續開發滿足客戶需求的高性能IC，不斷開發有助于汽車節能與高性能的IC。
來源；21ic