汽車(chē)LED照明系統的設計與突破

　　一直以來(lái)，汽車(chē)的剎車(chē)燈、轉向信號燈、倒車(chē)燈以及車(chē)尾霧燈都采用21W到27W、亮度為280至570流明的鎢絲燈泡作為光源。車(chē)尾燈、泊車(chē)燈、車(chē)側顯示燈以及轉向信號閃燈采用4W至10W、亮度為40至130流明的鎢絲燈泡，汽車(chē)頭燈則采用高亮度的氙氣熒光管(HID)。但在汽車(chē)照明中，越來(lái)越多地采用LED作為光源。尾部中央高位剎車(chē)燈是最早采用LED的汽車(chē)燈。另外，在車(chē)燈市場(chǎng)上，其他車(chē)外照明和指示燈如剎車(chē)燈、轉向信號燈以及車(chē)內照明燈都已改用LED燈泡。近年來(lái)，車(chē)外照明燈，如白天行車(chē)燈(DRL)，以及車(chē)頭近光燈都開(kāi)始改用LED燈泡。預計汽車(chē)大燈也會(huì )很快改用高亮度LED燈。此外，在車(chē)身內部，一些車(chē)內顯示器的背光也開(kāi)始采用LED作為光源，如儀表盤(pán)以及TFT顯示器。

　　汽車(chē)LED照明系統的優(yōu)點(diǎn)

　　白光LED的色溫約為6000K，視覺(jué)上幾乎等同于自然光。由于人眼區分顏色的能力在自然背景條件下是最好的。在晚上，人眼只有在自然的色彩情況下，對景物或馬路邊沿才有很好的區分能力。

　　LED 燈的平均壽命比鎢絲燈以及高亮度熒光燈管長(cháng)，而且更加穩定可靠。如可以減少出故障的幾率，同時(shí)無(wú)需頻繁地更換燈泡，省卻了很多麻煩。而且采用LED可以節省更多的能源。LED燈外形更小，更容易裝入燈座內，在占用更少空間的同時(shí)，更容易配合時(shí)尚的燈飾設計。更為重要的是，LED剎車(chē)燈的啟動(dòng)速度更快。 LED剎車(chē)燈的點(diǎn)亮時(shí)間僅為50ms左右，比鎢絲燈泡的啟動(dòng)時(shí)間快大約250ms，從而降低了被尾隨車(chē)輛碰撞的危險。另外，LED是固態(tài)光源，可以承受更大的震動(dòng)。

　　驅動(dòng)LED燈的技術(shù)要求

　　由于LED的亮度與流過(guò)的電流成正比，所以需要恒定的電流源來(lái)驅動(dòng)LED。在任何情況下，流過(guò)LED的電流要保持恒定，才能確保LED亮度的一致性。另外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。所以說(shuō)LED驅動(dòng)器的設計屬于電源轉換電路設計，其特點(diǎn)是恒流輸出而非恒壓輸出。

　　在LED驅動(dòng)器設計中，必須增加阻塞電路，為防止電源反向操作提供保護。我們會(huì )遇到的另外一個(gè)挑戰是要在汽車(chē)冷啟動(dòng)或負載斷電的情況下確保LED能夠正常工作。在正常操作的情況下，小轎車(chē)的電池供電電壓介于9V與16V之間(例如12V系統總線(xiàn))，而大貨車(chē)的電池供電電壓則介于18V與32V之間(例如24V系統總線(xiàn))。在出現負載斷電或冷啟動(dòng)的情況時(shí)，電池的輸入電壓范圍會(huì )與正常的范圍有很大的出入。

　　在發(fā)電機運行期間，如果電池的供電被突然截斷，此時(shí)發(fā)電機會(huì )繼續發(fā)電，使用發(fā)電機供電的電容等用電部分就會(huì )出現電壓突然增高的現象，如果不采取保護措施，將會(huì )損壞用電器。如果LED的驅動(dòng)不是恒流驅動(dòng)，LED的電流就會(huì )有所變化，造成LED的亮度變化，這就是為什么目前的汽車(chē)燈會(huì )存在閃爍現象。下面是一個(gè)負載斷電測試的一個(gè)定義，用來(lái)模仿負載突斷的一些情形。不同的汽車(chē)廠(chǎng)商采用不同的標準，因此負載斷電測試的定義也各不相同，圖1 只是其中一個(gè)案例。

圖1 負載斷電測試的定義

　　盡管負載突降會(huì )造成負載電壓升高，但大部分先進(jìn)的交流發(fā)電機都配備了中央控制式負載斷電箝位電路。12V總線(xiàn)系統的參考電平會(huì )被限制在35V到42V之間，而24V總線(xiàn)系統的參考電平會(huì )被鉗定在50V到60V之間。

　　在天氣寒冷的時(shí)候，啟動(dòng)裝置會(huì )令電池供電電壓大幅下跌，圖2顯示“冷啟動(dòng)”測試的典型波形。

圖2 “冷啟動(dòng)”測試的典型波形

　　由于LED驅動(dòng)器的輸入供電端連接電池的輸入端，因此像剎車(chē)燈這類(lèi)涉及駕駛安全的汽車(chē)燈必須不受負載斷電及冷啟動(dòng)的影響，甚至必須能夠在這種情況下繼續正常運行。在典型的情況下，12V總線(xiàn)系統的輸入范圍為6V到42V，24V總線(xiàn)系統的輸入電壓范圍為12V到60V。

　　LED驅動(dòng)技術(shù)

　　電阻限流是LED驅動(dòng)方法之一，其優(yōu)點(diǎn)是成本較低、設計簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是電流會(huì )隨著(zhù)正向電壓和驅動(dòng)電壓的不同而改變，所以L(fǎng)ED發(fā)出的亮度會(huì )改變。當電池電壓比較高時(shí)，驅動(dòng)的效率很差，因為此時(shí)大部分的功率會(huì )消耗在電阻上。此外，限流電阻會(huì )產(chǎn)生很大的熱量，導致散熱的問(wèn)題。所以這是一個(gè)簡(jiǎn)單、但并不是一個(gè)最高效的方法。

　　第二種方法是線(xiàn)性穩流器，也叫恒流源。它的優(yōu)點(diǎn)是設計簡(jiǎn)單、電流恒定;缺點(diǎn)是效率很低，而且隨著(zhù)輸入電壓的升高，線(xiàn)性芯片承載的壓降也就越大，所以線(xiàn)性芯片也會(huì )產(chǎn)生很大的熱量。但它改善了電阻限流方法中電流波動(dòng)的缺點(diǎn)。

　　除了以上兩種方法，還有一種開(kāi)關(guān)電源式的驅動(dòng)方法。表1是三種不同方法的比較，用開(kāi)關(guān)電源作為L(cháng)ED驅動(dòng)的方法具有很高的效率，而且電流恒定。由于開(kāi)光電源轉換器的效率較高，因此被越來(lái)越多的車(chē)燈生產(chǎn)商使用。其最大的缺點(diǎn)是設計線(xiàn)路要復雜些，而且成本相對較高。

表1 三種LED驅動(dòng)方法比較

　　汽車(chē)照明中為什么要用到升壓/降壓LED驅動(dòng)器呢?這是因為電池電壓是波動(dòng)的，在電壓波動(dòng)時(shí)，我們需要保持流過(guò)LED的電流恒定，升壓/降壓LED驅動(dòng)器可以確保無(wú)論輸入電壓高于還是低于輸出電壓，電流都能保持恒定。這保證了在負載斷電和冷啟動(dòng)的時(shí)候，和安全有關(guān)的照明燈可以保持恒定的亮度。另外，多樣化的 LED汽車(chē)照明應用也需要不同的LED驅動(dòng)器拓撲結構。部分汽車(chē)燈生產(chǎn)商希望能夠有一個(gè)LED驅動(dòng)平臺可以適用于不同燈光系統的不同LED配置。升壓/降壓LED驅動(dòng)器是大部分高亮度汽車(chē)燈光系統的理想驅動(dòng)器解決方案。

　　LM3423(圖3)是NS公司一款升壓/降壓LED驅動(dòng)器芯片，它不僅可以提供快速的調光控制、可靠的保護和故障顯示等功能，還可以配置升壓、浮動(dòng)降壓及浮動(dòng)的升壓/降壓LED驅動(dòng)器，滿(mǎn)足不同的LED車(chē)載驅動(dòng)的要求。

圖3 LM3423升壓/降壓應用原理圖

　　用于LED背光系統的升壓LED驅動(dòng)器

　　在一般的應用情況下，我們都會(huì )采用升壓恒流LED驅動(dòng)器驅動(dòng)多串數量較多的LED，采用這種配置的LED背光系統可為汽車(chē)儀表板及導航系統顯示器提供背光。另外，汽車(chē)儀表板顯示器必須加設調光控制功能，以便控制LED背光燈的亮度。如在周?chē)h(huán)境較光亮時(shí)可以調高亮度，而在周?chē)h(huán)境較暗時(shí)，可以調低亮度，以防駕駛者的眼睛無(wú)法適應急劇的亮度轉變，影響駕駛安全。此外，具有PWM調光功能的控制器必須具有很好的對比度，即具有很好的線(xiàn)性調整度。

　　PWM信號是串脈沖信號，我們可以通過(guò)切換電流開(kāi)關(guān)來(lái)控制脈沖的發(fā)射，令LED發(fā)出超過(guò)100Hz的閃光，這樣在視覺(jué)上我們就會(huì )覺(jué)得亮度已減，因為人眼會(huì )將亮度過(guò)濾/平均化。調光功能的好壞是通過(guò)調光的占空比來(lái)實(shí)現的，如果器件的占空比很小，那么調光的范圍就會(huì )較大，具有更好的線(xiàn)性度。通常有兩種方法：一種是模擬的信號調光，另一種是PWM信號的調光。由于模擬調光是通過(guò)改變LED的電流實(shí)現的，當 LED的電流改變的時(shí)候，LED的顏色也會(huì )發(fā)生變化，所以我們通常會(huì )選用PWM調光作為亮度控制方法。采用這種方法時(shí)，LED要么導通，要么關(guān)斷，不會(huì )使 LED的顏色發(fā)生變化。

　　LM3423可支持快速調光控制以及“0”停機電流功能，適用于汽車(chē)導航系統顯示器以及儀表板的LED背光系統(圖 4)。它可以確保流過(guò)每個(gè)燈的電流是一致的，在LED下方串接了一個(gè)MOS管作為調光控制的開(kāi)關(guān)。其中，nDIM引腳負責執行輸入欠壓鎖定以及PWM調光功能。每當輸入PWM信號時(shí)，DDRV引腳便會(huì )驅動(dòng)DIM N-FET，命令串聯(lián)在一起的LED進(jìn)行快速開(kāi)關(guān)，以便控制亮度，調光控制頻率可以高達50kHz。

圖4 LM3423升壓LED驅動(dòng)器

　　圖 5中展示的是調光效果對比，可以看到，在很低的占空比條件下，可以保持同樣的開(kāi)關(guān)，流過(guò)LED的電流是恒定的。圖中顯示的調光占空比是0.5%，輸入電壓為12V，LED的電流為100mA，驅動(dòng)的數目為每串10個(gè)LED。這里的調光頻率選擇的是230Hz，當周?chē)h(huán)境的亮度變暗時(shí)，汽車(chē)顯示器的LED背光便會(huì )調低燈光的亮度。如果占空比很小，那么亮度就可以調得很低，在環(huán)境亮度很暗的時(shí)候，就不會(huì )覺(jué)得儀表盤(pán)的亮度很刺眼。

圖5 LM3423調光控制效果對比

　　使用傳統的升壓模式的驅動(dòng)器時(shí)會(huì )面臨一個(gè)問(wèn)題：不管控制器驅動(dòng)工作與否，其輸入和輸出之間都一個(gè)通路，這種情況下，輸入端的電池會(huì )對負載有個(gè)直流的通路，會(huì )造成漏電。當用于車(chē)載照明時(shí)，汽車(chē)在長(cháng)時(shí)間不用的時(shí)候，有這個(gè)通路就會(huì )對電池進(jìn)行放電。再次啟動(dòng)車(chē)輛時(shí)，就會(huì )發(fā)現電池沒(méi)電了。另外一個(gè)問(wèn)題是，輸出端出現短路的時(shí)候，會(huì )對電池進(jìn)行放電。即使主開(kāi)關(guān)已經(jīng)關(guān)閉，也不會(huì )對輸出端的漏電產(chǎn)生影響。針對這種情況，要在輸出端加入保險絲，防止出現短路。利用 LM3423可以解決這個(gè)問(wèn)題，有效延長(cháng)電池的使用壽命。若LED串與地連接，形成短路，由FLT引腳負責驅動(dòng)的輸入端P-FET會(huì )隨即被關(guān)閉，從而令輸入路徑成為開(kāi)路，避免了漏電問(wèn)題。