LED車(chē)燈驅動(dòng)電路設計

中心議題：

LED的工作原理及應用于汽車(chē)照明的優(yōu)勢

汽車(chē)照明應用中LED驅動(dòng)器的設計及特點(diǎn)

LED應用于汽車(chē)照明的缺陷及解決辦法

解決方案：

汽車(chē)照明應用中LED驅動(dòng)器設計

LED是一種高效環(huán)保的新型半導體光源，有其它光源無(wú)法比擬的優(yōu)勢。在未來(lái)汽車(chē)照明應用中前景光明。LED 可以用串聯(lián)、并聯(lián)等不同的方式組合成LED 陣列，以滿(mǎn)足汽車(chē)照明強度的要求。針對LED 的發(fā)光特性，重點(diǎn)討論了LED 驅動(dòng)的設計及特點(diǎn)，同時(shí)簡(jiǎn)述了LED 目前存在的問(wèn)題及解決方法。

1 汽車(chē)車(chē)燈作用及要求

目前，汽車(chē)日趨平民化，已成為主要交通工具，行車(chē)安全引起了社會(huì )廣泛的關(guān)注。據不完全統計，汽車(chē)在夜晚或自然光線(xiàn)不足的情況下行駛的里程占總行駛里程的25%，而在此間發(fā)生的交通事故占到總事故的40%，并且一半以上的傷亡事故發(fā)生在夜間。因此，車(chē)外照明燈及信號燈是汽車(chē)安全行駛的關(guān)鍵部件，必須滿(mǎn)足下列條件：

(1)汽車(chē)照明燈點(diǎn)亮無(wú)延遲，響應時(shí)間更快，給駕駛員更多的反應時(shí)間。

(2)照明亮度強，在夜間或自然光線(xiàn)不足的情況下提高駕駛員的視野，同時(shí)使車(chē)外信號燈的指示作用更強。

(3)高耐震，工作可靠性高，避免因照明故障引起的意外事故。

(4)節能，能夠有效減少廢氣的排放量，保護環(huán)境。

(5)基于汽車(chē)銷(xiāo)售競爭日益激烈，車(chē)燈設計要實(shí)用和美觀(guān)。

2 LED 成為汽車(chē)照明選材中的新星

2.1 LED 的工作原理

LED 是特殊的二極管，是一種通過(guò)摻雜等手段形成PN 結的半導體器件。當滿(mǎn)足二極管導通條件時(shí)，電流流過(guò)LED，以光和熱的形式釋放出能量。LED 是電流控制的電流型元件，其發(fā)光強度主要依據通過(guò)的電流大小，正向導通時(shí)，其壓降非常高，而且本身具有一定的波動(dòng)范圍。

由于LED 沒(méi)有紅外線(xiàn)及紫外線(xiàn)的輻射，其消耗的能量除轉換為光能外，幾乎都是熱能，且只能以熱傳導的形式傳出，因此，LED 在工作時(shí)，結溫會(huì )逐漸升高。而LED 是具有負溫度系數的器件，流過(guò)LED 的電流會(huì )隨溫度升高而增大，這就形成了正反饋，造成結溫的進(jìn)一步升高，如不加控制，就會(huì )燒毀LED。LED 的熱學(xué)參數與PN 結的結溫有很大關(guān)系，主波長(cháng)與溫度的關(guān)系如下式：

mp(Tl) = m0(T0)+ 3Tg #0.1nm/°C

由上式可知，每當LED 結溫升高10℃時(shí)，主波長(cháng) ( 人眼能夠觀(guān)察到的) 就會(huì )向長(cháng)波漂移1nm(1nm=10-9m)，導致LED 亮度下降，出現光衰。因此， 個(gè)別LED 過(guò)熱，就會(huì )造成LED 陣列發(fā)光的均勻性變差。

2.2 LED 顯著(zhù)的照明優(yōu)勢

LED 被稱(chēng)為新光源，原因在于LED 具備點(diǎn)光源與固態(tài)光源的特性，因此具有其它照明光源無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

(1)LED 壽命理論上可達10 萬(wàn)小時(shí)， 實(shí)際壽命也可達到2 萬(wàn)小時(shí)以上，比一般白炙燈泡的1 000 小時(shí)、日光燈具的1 萬(wàn)小時(shí)更具優(yōu)勢，在汽車(chē)使用壽命期間一般無(wú)須更換。

(2)點(diǎn)亮無(wú)延遲，響應時(shí)間更快。LED 的啟動(dòng)時(shí)間僅為幾十納秒，啟動(dòng)時(shí)間較白熾燈泡大大縮短。

(3)在光線(xiàn)亮度高、自然光線(xiàn)可見(jiàn)度低的情況下，大大降低汽車(chē)事故發(fā)生率;基本上無(wú)輻射，屬于“綠色光源”。

(4)LED 占用體積小， 結構簡(jiǎn)單，高耐震，設計者可以隨意變換燈具模式，令汽車(chē)造型多樣化，滿(mǎn)足不同消費者需求。

(5)LED 光源受電壓變化的影響遠遠小于白熾燈泡，顯示了卓越的安全性和可靠性，同時(shí)消耗的能量較同光效的白熾燈減少80%，非常節能。

基于上述優(yōu)勢，LED 可以在汽車(chē)照明中廣泛應用，但單個(gè)LED 無(wú)法滿(mǎn)足汽車(chē)照明強度的要求，必須多個(gè)串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)成LED 陣列使用，如圖1 所示。

2.3 LED 驅動(dòng)的設計及特點(diǎn)

LED 驅動(dòng)方式可采用電阻限流、線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)型變換器3 類(lèi)。電阻限流方案適用于效率低的應用場(chǎng)合，所以對效率要求極高，輸入電壓范圍寬的汽車(chē)照明上不采用此方法;線(xiàn)性穩壓器適應于低電流或LED 正向壓降稍低于電源電壓的場(chǎng)合，但同樣存在效率和輸入電壓范圍小的問(wèn)題;開(kāi)關(guān)型變換器具有電路拓撲靈活、效率高和輸入電壓寬的特性。因此，綜合考慮工作效率、安裝尺寸、靜態(tài)電流、工作電壓、噪聲和輸出調節等因素后，驅動(dòng)電路多采用開(kāi)關(guān)型變換器。開(kāi)關(guān)變換器拓撲結構分為Buck、Boost 及Buck-Boos 等方式。目前來(lái)看，LED 應用在汽車(chē)照明上，其驅動(dòng)電源必然是鉛酸蓄電池。

因為蓄電池的輸入電壓范圍會(huì )與正常的范圍有很大的出入，因此驅動(dòng)電路一般用Buck-Boost 拓撲結構滿(mǎn)足LED陣列對電壓要求。此電路拓撲結構直流增益(輸出電壓與輸入電壓之比)與占空比D(一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內，開(kāi)通時(shí)間與周期的比值)有關(guān)。當電池電壓低于LED 所需電壓時(shí)，調節D > 0.5，使電路處于升壓狀態(tài);當電池電壓高于LED 所需電壓時(shí)，調節D 0.5，使電路處于降壓狀態(tài)。LED 是電流控制的電流型元件，亮度與流過(guò)的電流成正比。如果LED 不是恒流驅動(dòng)，通過(guò)的電流波動(dòng)時(shí)，即使電壓恒定也會(huì )造成LED 的亮度變化。為保證亮度穩定可靠，LED 需要恒定的電流來(lái)驅動(dòng)，而且還需要在任何情況下都能將紋波電流控制在可接受的水平。所以，LED 驅動(dòng)電路的輸出必須是恒流輸出而非恒壓輸出。

可以設計LED 驅動(dòng)電路原理圖如圖1 所示。

圖1LED 驅動(dòng)原理圖

圖1 可知，Buck-Boost 電路將蓄電池電能變換后對LED 陣列供電，采樣電路對流過(guò)LED 的電流采樣，將信號傳到控制電路?？刂齐娐贩治霾蓸有畔?，調節Buck-Boost 電路中開(kāi)關(guān)管的占空比，保證通過(guò)LED 電流恒定;當電路出現異常時(shí)，通過(guò)控制保護電路切斷電源，保證LED 不受損害。一般情況下，LED 驅動(dòng)電路必須滿(mǎn)足下列要求：

(1)升降壓功能。當輸入電壓或LED 本身壓降波動(dòng)時(shí)，調節輸出電壓，滿(mǎn)足輸出電流恒定的要求，保證LED 發(fā)光穩定可靠。

(2)高功率轉換效率。以降低驅動(dòng)損耗，節省成本，同時(shí)減少蓄電池充電次數，延長(cháng)電池使用壽命。

(3)亮度調節功能。周?chē)h(huán)境很暗時(shí)，信號燈往往不需最大電流驅動(dòng)，此時(shí)可控制驅動(dòng)電流而改變LED的亮度，進(jìn)而降低LED 的耗電量。調節驅動(dòng)電流常用的方法是利用PWM 信號控制。