汽車(chē)LED照明方案設計

　　發(fā)光二極管(LED)照明為標新立異、舒適和用戶(hù)定制開(kāi)啟了一片新天地。這些設計機遇在迅速提升LED在車(chē)內的應用程度和速度。當把LED用在車(chē)內、車(chē)前和車(chē)尾照明時(shí)，有幾種方法和設計技術(shù)可供選擇。

　　對車(chē)用LED來(lái)說(shuō)，其相對抗振、壽命長(cháng)、高能效及可以對光源進(jìn)行精妙控制等特性是關(guān)鍵因素。與白熾燈泡相比，LED對機械震動(dòng)不敏感，但需要驅動(dòng)電路。一般來(lái)說(shuō)，汽車(chē)電氣供電系統以鉛酸電池為電源，該電池由引擎通過(guò)機械方式驅動(dòng)的交流發(fā)電機/穩壓器充電。這樣一個(gè)系統適合老式白熾燈泡，但不適合LED。為使LED達到最佳性能，需一個(gè)精準恒流的電流源。

　　為正確驅動(dòng)LED，需控制電流，而與電壓無(wú)關(guān)。光輸出基本取決于電流而不是電壓。理論上，每個(gè)電子都轉換為光子，而逃逸出LED的固定比例的光子就成為我們看見(jiàn)的光。

　　若電壓恒定，則只需一個(gè)電阻就可實(shí)現一個(gè)質(zhì)量不高的方案。應該指出的是，當LED與電阻簡(jiǎn)單串接在一起時(shí)，LED本身在一定程度上是自調節的。若溫度升高，LED的效率和亮度都降低，且前向壓降同時(shí)減小。減小的前向壓降又導致電流增加，從而些許彌補了因溫升造成的亮度下降。只要電池電壓恒定，串聯(lián)電阻方案足以滿(mǎn)足計算機和儀器儀表應用的要求。但汽車(chē)行業(yè)強制規定設備要能滿(mǎn)足電池在8V至18V間的變化，且還要能容忍80V的峰值。另外，高亮LED會(huì )在電阻上產(chǎn)生大量熱。因而使得熱設計更困難。

　　一個(gè)好些但并非最佳的替代方案是采用一個(gè)dc-dc電壓轉換器來(lái)生成一個(gè)合適的穩定電壓然后將此與一個(gè)電阻結合起來(lái)。若你已有一個(gè)為計算機或其它電子設備供電的dc-dc轉換器，則該方案可行;另外，這種方法可能是驅動(dòng)LED最常用的方法。

　　但采用一個(gè)工作時(shí)與電壓無(wú)關(guān)的恒流器驅動(dòng)LED是個(gè)更好方案。能量消耗和能量轉換分別是兩種基本的恒流器類(lèi)型。

　　線(xiàn)性降壓恒流器是能量消耗型恒流器的一個(gè)例子。對一個(gè)給定電流來(lái)說(shuō)，恒流器兩端壓降所代表的能耗被消耗掉。另一種情況則是能量轉換恒流器，它試圖把不同電平間的能量差儲存起來(lái)。

　　描述這種能量轉換所用的方程是熱力學(xué)基本定律之一：

　　·輸入功率=輸出功率

　　·用W=V·I給定(給定)，替換式中的W：

　　·Vin·Iin=Vout·Iout+(100-X%效率)W發(fā)熱(發(fā)熱)

　　若將LED的前向電壓作為Vout，將所需的電流作為Iout，就將得到描述LED驅動(dòng)器的一般方程。

　　耗能的LED驅動(dòng)器

　　用分立器件搭建一個(gè)線(xiàn)性恒流器相對簡(jiǎn)單。圖1就是一款用分立器件搭建的恒流器。D1應是支齊納二極管或電壓參考。電流則由方程ILED=VD1/RSET確定。D2提供對晶體管基極二極管的簡(jiǎn)單溫度補償。

　　雖然該電路簡(jiǎn)單，但與所有耗能LED驅動(dòng)器一樣，都存在能量消耗和由電阻產(chǎn)生的發(fā)熱問(wèn)題。隨著(zhù)LED亮度的增加，發(fā)熱會(huì )越來(lái)越嚴重。LED點(diǎn)的越亮，浪費的能量越多。

　　在電流較小、且串在一起的LED前向電壓的總和略低于電源電壓時(shí)，這種類(lèi)型的穩流方式可以用。有幾家LED驅動(dòng)器IC廠(chǎng)商采用的就是這種恒流方法。但在驅動(dòng)高亮度LED時(shí)，不建議采用該方法。

　　省量的LED驅動(dòng)器

　　在許多情況，開(kāi)關(guān)恒流器能提供一個(gè)更好的電子方案。開(kāi)關(guān)恒流器控制一個(gè)串接負載的通/斷，它也因此得名。在一個(gè)周期內， RLC(槽電路)電路被充電。在下一個(gè)周期，該儲存的能量被用于驅動(dòng)負載或用于加高驅動(dòng)負載的能量中樞的電壓水平。這種能量安排一般可實(shí)現高于80%的效率，在大多情況還可達到90%以上。所以，開(kāi)關(guān)恒流器可被用于升高電壓、降低電壓甚或反轉電壓。而線(xiàn)性恒流器就不具備這些能力。

　　工作描述：輸入電壓和LED電壓之間的壓差，給線(xiàn)圈L充電。當在線(xiàn)圈中積聚起能量后，高于其的電壓將下降而電流隨之增加。當電流達到一個(gè)規定值時(shí)，控制電路將順序關(guān)斷晶體管。然后在一定的關(guān)斷時(shí)間內，線(xiàn)圈內的部分能量將給LED供電。這樣就在LED上有交迭電流流過(guò)。開(kāi)關(guān)恒流器電路控制電流的峰值?？赏ㄟ^(guò)編程恒流器IC或外部器件設定該值。電流還取決于位于NFET開(kāi)關(guān)漏極端感應電阻的選擇。

　　在降壓恒流器應用中，流過(guò)LED的電流是連續的，但卻是交迭的。而整個(gè)電路的能耗卻是不連續的(圖2)。它可在電源輸入側引發(fā)問(wèn)題并通過(guò)電源線(xiàn)輕易地引發(fā)噪聲。

　　升壓調節器

　　若電源電壓低于全部串接LED前向電壓之和，則要選用升壓恒流器。因升壓恒流器除了要控制電流外，還要控制升高了的電壓，所以，此類(lèi)恒流器更復雜。

　　這種升壓恒流器無(wú)法處理電源電壓高于全部串接LED前向電壓之和的情況，發(fā)生這種情況時(shí)，電流會(huì )不受控制地急劇增加，如圖3所示。

　　這種LED驅動(dòng)器還將產(chǎn)生流過(guò)LED的脈動(dòng)電流。因流經(jīng)LED的電流相對較大，所以，它難以被濾除掉。原則上，簡(jiǎn)單升壓恒流器會(huì )在輸出至LED的電流上產(chǎn)生更大噪聲。所以，在PCB布線(xiàn)時(shí)，要使驅動(dòng)器與LED間的連線(xiàn)盡可能地短。

　　SEPIC恒流器

　　SEPIC恒流器是一種單端初級電感轉換器。這種恒流器既可用作升壓又可用作降壓。但線(xiàn)圈間的容抗是其一個(gè)缺陷。該電容必須處理轉換為適用于LED的電流和電壓的全部能量。

　　當你基本上需要的是一款降壓恒流器而在電源線(xiàn)上又可能有過(guò)壓時(shí)，這種類(lèi)型的恒流器就派上用場(chǎng)。

　　升壓/降壓恒流器

　　一個(gè)好的升壓LED驅動(dòng)器的最穩妥最安全的方案是以級聯(lián)方式將一個(gè)升壓恒流器和一個(gè)降壓恒流器組合在一起。這種架構將優(yōu)化所需的工作降至最少。一個(gè)升壓恒流器更適合為若干并聯(lián)的降壓恒流器提供電源。

　　對降低噪聲來(lái)說(shuō)，這種作法還是種成效顯著(zhù)的解決之道。它集升壓恒流器優(yōu)異的電壓輸出與降壓恒流器同樣優(yōu)異的電流輸出雙美于一身。

　　由高壓驅動(dòng)LED

　　當電源電壓很高，而LED的前向壓降(Vf)與之相比要低10到20倍時(shí)，會(huì )出現由對與LED串接在一起的線(xiàn)圈極短的充電時(shí)間引發(fā)的問(wèn)題?？焖俪潆?和放電)將導致低效率。

　　充放電周期如圖4所示，可容易地看出：上升時(shí)間(頻率)比恒流的基本頻率高10到20倍。

　　實(shí)現高效及降低輻射噪聲的卓有成效的方法之一是選取一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率以使上升時(shí)間與線(xiàn)圈的規范頻率相當。當電壓相差10到20倍時(shí)，應選取比線(xiàn)圈最高效頻率低10到20倍的開(kāi)關(guān)頻率。

　　但當電源電壓是串聯(lián)LED前向電壓的兩倍時(shí)，將會(huì )得到一個(gè)優(yōu)化方案。被穩定的電流如圖5所示，其中，波形相當對稱(chēng)。

　　借助其獨立于電源電壓的優(yōu)勢以及電源電壓和LED電流間的高度絕緣，還可以將線(xiàn)圈用作變壓器。它可替代升壓和降壓方案，但效率不高。在電感初級 和次級繞組間的強磁耦合將提升效率。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：連接LED的任何導線(xiàn)都可短接至地或電源，而不會(huì )產(chǎn)生任何危險電流。

　　開(kāi)關(guān)恒流器產(chǎn)生的電噪

　　所有的開(kāi)關(guān)恒流器都產(chǎn)生噪聲。通用的靠控制電壓水平的dc-dc電壓穩壓器可得到濾波后效果很好的電源。這是通過(guò)加在輸出端很大的電容器和加快開(kāi)關(guān)頻率以提升效率實(shí)現的。LED恒流器應采用恒流而非穩壓的方法。

　　早先提到的降壓恒流器是一種簡(jiǎn)單并具成本效益的恒流器，但若物理實(shí)現安排的不好，將在LED應用中產(chǎn)生嚴重的電噪聲。PCB布線(xiàn)和所選電纜對控制噪聲水平至關(guān)重要。

　　降低噪聲的一般規則：

　　1. 降低開(kāi)關(guān)頻率。

　　2. 連至LED的導線(xiàn)盡量短、電流環(huán)盡量小。

　　3. 若連接LED需要長(cháng)導線(xiàn)，應加裝濾噪器。

　　4. 采用高速反饋二極管。

　　5. 將開(kāi)關(guān)晶體管放在PCB中央。

　　6. 仔細選擇電源線(xiàn)所用的電纜及加裝的濾噪器。

　　除這些一般規則外，Melexis還采取措施幫助控制驅動(dòng)器IC的噪聲。在MLX10801和MLX10803驅動(dòng)器內，將一個(gè)偽隨機數發(fā)生器用于開(kāi)關(guān)頻率以將電噪聲最小化。

　　在汽車(chē)電子環(huán)境下，有若干測試和測試步驟以評估電子模塊的相對噪聲指標。一個(gè)普遍采用的標準和測試步驟是由國際電工委員會(huì )(IEC)的分支機構國際無(wú)線(xiàn)電干擾專(zhuān)業(yè)委員會(huì )(CISPR)定義的。

　　圖6是一個(gè)可滿(mǎn)足CISPR25第5級要求低噪應用的簡(jiǎn)單原理圖。線(xiàn)圈L1的形狀大小必須根據開(kāi)關(guān)頻率和LED電流確定。為實(shí)現這點(diǎn)，我們可利用能從www.melexis.com上下載的軟件程序和Excel表格。開(kāi)關(guān)頻率應低于150kHz以規避CISPR25約定的最低頻率帶的要求。程序還提供了ROSC、RSET和 RSENSE值。L2是一個(gè)濾噪器的一部分，當要通過(guò)最高等級的降噪要求時(shí)，需要該濾噪器。對CISPR25等級1到3來(lái)說(shuō)，可不用線(xiàn)圈L2。

　　當在圖6中使用該電路時(shí)，對典型的0.5~1A的LED電流來(lái)說(shuō)，選L1和L2為100μH是個(gè)好主意。因噪聲的譜域很寬，所以，電容器應能同時(shí)處理高頻和低頻。這就是為什么我們在線(xiàn)圈L2濾波器的兩端都放置兩組電容的原因。反饋二極管D1是高頻噪聲的主要來(lái)源。應仔細選擇該二極管，并在應用中反復測試。對輸入電壓低于100V來(lái)說(shuō)，肖特基二極管是最好的選擇。

　　在Melexis的網(wǎng)站論壇“知識庫”內，可找到更多關(guān)于如何進(jìn)行優(yōu)化方案設計的信息和幫助。

　　LED的溫度補償

　　根據結溫度的不同，紅和黃色的砷化鎵(GaAs)和磷砷化鎵(GaAsP)LED的光輸出有很大變化。典型情況，在25°C時(shí)，100%光輸出的LED，在80°C時(shí)，光輸出將只有40%?？扇菀椎貙@種光輸出改變實(shí)施補償。改進(jìn)后的低噪設計方案，只需增加一個(gè)PTC和NTC電阻(圖7)。

　　如圖8中所示，使用溫度補償PTC和NTC電阻，在80°C時(shí)的相對光輸出可實(shí)現最大。若無(wú)論何種原因，結溫度低于80°C，PTC電阻將變成一個(gè)相對低的值并成比例地減小電流。這樣，就需對PTC系數和LED光輸出進(jìn)行平衡。

　　為提供保護，當溫度高于80°C時(shí)，位于MLX10803 另一個(gè)參考輸入端的NTC電阻將以同樣的方式降低電流。

　　剎車(chē)、轉向和尾燈的LED應用

　　目前，幾乎全部汽車(chē)都采用紅色GaAs LED尾燈。但，大多LED尾燈在寒冷的夜晚太過(guò)刺眼，而在悶熱明亮的場(chǎng)合又過(guò)于暗淡。多年前，就已基于白熾燈制訂了控制汽車(chē)照明的法定標準。白熾燈工作在幾千度的燈絲遇熱發(fā)光條件下。所以，環(huán)境溫度即使相差60°C(在20到80°C間)，其光輸出方面的差別也基本上察覺(jué)不到。目前，在冷天，LED尾燈和白熾燈尾燈的亮度差別顯而易見(jiàn)。對LED在冷天里是否過(guò)亮尚存疑問(wèn)。先前描述的溫度補償方法將使汽車(chē)有一個(gè)更專(zhuān)業(yè)、更精致的照明表現，且當與白熾燈結合起來(lái)使用時(shí)，看起來(lái)效果會(huì )更好。對標準組織來(lái)說(shuō)，這種情況也許會(huì )成為一個(gè)需解決的議題，這些組織需要為工作在不同溫度下的照明燈設立參考規范。

　　在將剎車(chē)和尾燈功能結合起來(lái)的應用中，利用脈寬調制(PWM)產(chǎn)生兩級照明：一級作為尾燈，另一級作為剎車(chē)燈。這是因為L(cháng)ED制造商一般只用一個(gè)電流值 (用于產(chǎn)生剎車(chē)燈效果的驅動(dòng)電流值)對其LED進(jìn)行測試和分類(lèi)。過(guò)去，沒(méi)有用于尾燈那種低亮度輸出的測試和分類(lèi)。幸運地是，這種情況在改變， LUMILEDs現就對LED進(jìn)行兩種電流水平的測試。

　　這很重要，因若LED可匹配兩種電流水平，則司機可分別交替驅動(dòng)兩個(gè)特定電流水平，無(wú)需借助PWM，那么，也就不再需要PWM了。用PWM方法驅動(dòng)的 LED尾燈，當PWM比率從1:10到1:20且頻率從80Hz到100Hz時(shí)，與傳統的白熾燈相比，其發(fā)出的光看起來(lái)很不舒服。這些因為人眼對紅光和這些頻率的敏感性。在寒冷環(huán)境和因寒冷環(huán)境使電流補償不到位時(shí)，這種情況會(huì )更嚴重。

　　本文小結

　　為實(shí)現更精致的汽車(chē)LED照明應用，已發(fā)展出若干基于特定場(chǎng)合的IC和應用電路。在前述的例子中，討論了如何應對這些挑戰。為成功研制出完全用于特定應用的照明模塊，需要進(jìn)行比在此提及的各措施更多的精雕細鑿。上述的一般討論應有助于照明工程實(shí)現中對各種制約因素的更好把握，借助這種把握，可用目前的高亮 LED設計出更可靠、更爽心悅目的照明方案。