如何實(shí)現(xiàn)汽車尾燈的LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)？有哪些設(shè)計(jì)方案

在汽車或汽車中，LED已發(fā)展成為照明的首選。無論是后尾燈還是儀表盤中的指示燈，如下圖 1 所示，如今都集成了LED。其緊湊的尺寸有助于設(shè)計(jì)的多功能性，并提供與車輛預(yù)期壽命本身一樣耐用的期望。

在汽車或汽車中，LED已發(fā)展成為照明的首選。無論是后尾燈還是儀表盤中的指示燈，如下圖 1 所示，如今都集成了LED。其緊湊的尺寸有助于設(shè)計(jì)的多功能性，并提供與車輛預(yù)期壽命本身一樣耐用的期望。

LED實(shí)際上是一個(gè)P型N型(PN)結(jié)二極管，它允許電流僅在一個(gè)方向上通過它。一旦 LED 兩端的電壓達(dá)到最小正向電壓(VF)，電流就開始流動。

LED的照明水平或亮度由正向電流(IF)決定;而 LED 消耗的電流取決于施加在 LED 上的電壓。

盡管LED亮度和正向電流IF是線性相關(guān)的，但即使LED兩端的正向電壓VF略有增加，也會引發(fā)LED電流攝入的快速增加。

具有不同顏色規(guī)格的 LED 由于其特定的半導(dǎo)體成分而具有不同的 VF 和 IF 規(guī)格(圖2)。有必要考慮每個(gè)LED的數(shù)據(jù)表規(guī)格，特別是在單個(gè)電路中應(yīng)用不同顏色的LED時(shí)。

例如，當(dāng)使用紅綠藍(lán) (RGB) 照明進(jìn)行開發(fā)時(shí)，紅色 LED 的正向電壓額定值可能約為 2 V，而藍(lán)色和綠色 LED 的額定電壓可能在 3 至 4 V左右。

考慮到您采用單個(gè)公共電源操作這些 LED，您可能需要為每個(gè)彩色 LED 配備一個(gè)計(jì)算良好的限流電阻，以避免 LED 劣化。

熱效率和功率效率

除了電源電壓和電流參數(shù)外，溫度和功率效率同樣需要仔細(xì)分析。雖然，施加在LED上的大部分電流被轉(zhuǎn)換為LED光，但少量功率在器件的PN結(jié)內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱量。

LED結(jié)上產(chǎn)生的溫度可能會受到一些外部參數(shù)的嚴(yán)重影響，例如：

通過大氣溫度(TA)，

通過LED結(jié)和環(huán)境空氣之間的熱阻(RθJA)，

以及功耗 (PD)。

以下公式1揭示了LED的功耗規(guī)格PD：

PD =VF × IF ------------方程 #1

借助上述方法，我們可以進(jìn)一步推導(dǎo)出以下計(jì)算LED結(jié)溫(TJ)的方程：

TJ = TA + RθJA × PD ---------- 方程 #2

不僅在正常工作條件下，而且在設(shè)計(jì)的絕對最高環(huán)境溫度TA下，對于最壞情況的關(guān)注，確定TJ至關(guān)重要。

隨著LED結(jié)溫TJ的升高，其工作效率下降。LED 的正向電流 IF 和結(jié)溫 TJ 必須保持在數(shù)據(jù)手冊分類的絕對最大額定值以下，以防止損壞(圖

3)。

除了LED，您還應(yīng)考慮電阻和驅(qū)動元件(如BJT和運(yùn)算放大器)的功率效率，特別是隨著分立元件數(shù)量的增加。

驅(qū)動器級的電源效率不足、LED導(dǎo)通時(shí)間和/或環(huán)境溫度所有這些因素都可能導(dǎo)致器件溫度升高，影響B(tài)JT驅(qū)動器的電流輸出，并降低LED的VF降。

隨著溫度的升高降低LED的正向壓降，LED的電流消耗率上升;導(dǎo)致功率耗散PD和溫度成比例增加，這導(dǎo)致LED的正向壓降VF進(jìn)一步降低。

這種溫度持續(xù)上升的循環(huán)，也稱為“熱失控”，迫使LED在最佳工作溫度以上工作，導(dǎo)致快速退化，并在某個(gè)時(shí)候器件發(fā)生故障，因?yàn)橹蓄l消耗水平增加。

線性 LED 驅(qū)動器

通過晶體管或IC線性操作LED實(shí)際上非常方便。在所有可能性中，控制LED的最簡單方法通常是將其直接連接到電源電壓源(VS)。

使用合適的限流電阻可限制器件的電流消耗，并固定LED的精確壓降。以下公式3可用于計(jì)算串聯(lián)電阻(RS)值：

借助上述方法，我們可以進(jìn)一步推導(dǎo)出以下計(jì)算LED結(jié)溫(TJ)的方程：

TJ = TA + RθJA × PD ---------- 方程 #2

不僅在正常工作條件下，而且在設(shè)計(jì)的絕對最高環(huán)境溫度TA下，對于最壞情況的關(guān)注，確定TJ至關(guān)重要。

隨著LED結(jié)溫TJ的升高，其工作效率下降。LED 的正向電流 IF 和結(jié)溫 TJ 必須保持在數(shù)據(jù)手冊分類的絕對最大額定值以下，以防止損壞(圖

3)。

除了LED，您還應(yīng)考慮電阻和驅(qū)動元件(如BJT和運(yùn)算放大器)的功率效率，特別是隨著分立元件數(shù)量的增加。

驅(qū)動器級的電源效率不足、LED導(dǎo)通時(shí)間和/或環(huán)境溫度所有這些因素都可能導(dǎo)致器件溫度升高，影響B(tài)JT驅(qū)動器的電流輸出，并降低LED的VF降。

隨著溫度的升高降低LED的正向壓降，LED的電流消耗率上升;導(dǎo)致功率耗散PD和溫度成比例增加，這導(dǎo)致LED的正向壓降VF進(jìn)一步降低。

這種溫度持續(xù)上升的循環(huán)，也稱為“熱失控”，迫使LED在最佳工作溫度以上工作，導(dǎo)致快速退化，并在某個(gè)時(shí)候器件發(fā)生故障，因?yàn)橹蓄l消耗水平增加。

線性 LED 驅(qū)動器

通過晶體管或IC線性操作LED實(shí)際上非常方便。在所有可能性中，控制LED的最簡單方法通常是將其直接連接到電源電壓源(VS)。

使用合適的限流電阻可限制器件的電流消耗，并固定LED的精確壓降。以下公式3可用于計(jì)算串聯(lián)電阻(RS)值：

RS = VS - VF / IF ---------- 等式 #3

參考圖 #4，我們看到 3 個(gè) LED 串聯(lián)使用，VF 計(jì)算應(yīng)考慮 3 個(gè) LED 上的整個(gè)壓降 VF(LED 的正向電流 IF 保持不變)。

雖然這可能是最簡單的LED驅(qū)動器配置，但在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中可能非常不切實(shí)際。

電源，尤其是汽車電池，容易受到電壓波動的影響。

電源輸入的微小增加會觸發(fā)LED消耗更多的電流，從而被破壞。

此外，電阻中過大的功率耗散PD會增加器件溫度，從而導(dǎo)致熱失控。

面向汽車應(yīng)用的分立式恒流LED驅(qū)動器

當(dāng)使用恒流功能時(shí)，它可確保增強(qiáng)的節(jié)能和可靠的布局。由于最普遍的LED操作技術(shù)是通過開和關(guān)開關(guān)，因此晶體管可實(shí)現(xiàn)良好調(diào)節(jié)的電流供應(yīng)。

參考上面的圖5，根據(jù)LED配置的電壓和電流規(guī)格，可以選擇BJT或MOSFET。與電阻器相比，晶體管易于處理更大的功率，但容易受到電壓上下和溫度變化的影響。例如，當(dāng)BJT周圍的電壓上升時(shí)，其電流也會成比例增加。

為了保證額外的穩(wěn)定性，可以定制這些BJT或MOSFET電路，以提供恒定電流，盡管電源電壓不平衡。

設(shè)計(jì) LED 電流源

圖6至圖8展示了一些電流源電路圖示。

在圖6中，齊納二極管在晶體管基極產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。

LED是一種高效環(huán)保的新型半導(dǎo)體光源，有其它光源無法比擬的優(yōu)勢。在未來汽車照明應(yīng)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，以滿足汽車照明強(qiáng)度的要求。針對LED 的發(fā)光特性，重點(diǎn)討論了LED 驅(qū)動的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)，同時(shí)簡述了LED 目前存在的問題及解決方法。

1、汽車車燈作用及要求

目前，汽車日趨平民化，已成為主要交通工具，行車安全引起了社會廣泛的關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，汽車在夜晚或自然光線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，車外照明燈及信號燈是汽車安全行駛的關(guān)鍵部件，必須滿足下列條件：

(1)汽車照明燈點(diǎn)亮無延遲，響應(yīng)時(shí)間更快，給駕駛員更多的反應(yīng)時(shí)間。

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

(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(jié)能，能夠有效減少廢氣的排放量，保護(hù)環(huán)境。

(5)基于汽車銷售競爭日益激烈，車燈設(shè)計(jì)要實(shí)用和美觀。

2、LED 成為汽車照明選材中的新星

2.1 LED 的工作原理

LED 是特殊的二極管，是一種通過摻雜等手段形成PN 結(jié)的半導(dǎo)體器件。當(dāng)滿足二極管導(dǎo)通條件時(shí)，電流流過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(qiáng)度主要依據(jù)通過的電流大小，正向?qū)〞r(shí)，其壓降非常高，而且本身具有一定的波動范圍。

由于LED 沒有紅外線及紫外線的輻射，其消耗的能量除轉(zhuǎn)換為光能外，幾乎都是熱能，且只能以熱傳導(dǎo)的形式傳出，因此，LED 在工作時(shí)，結(jié)溫會逐漸升高。而LED 是具有負(fù)溫度系數(shù)的器件，流過LED 的電流會隨溫度升高而增大，這就形成了正反饋，造成結(jié)溫的進(jìn)一步升高，如不加控制，就會燒毀LED。LED 的熱學(xué)參數(shù)與PN 結(jié)的結(jié)溫有很大關(guān)系，主波長與溫度的關(guān)系如下式：

mp(Tl) = m0(T0)+ 3Tg #0.1nm/°C

由上式可知，每當(dāng)LED 結(jié)溫升高10℃時(shí)，主波長 ( 人眼能夠觀察到的) 就會向長波漂移1nm(1nm=10-9m)，導(dǎo)致LED 亮度下降，出現(xiàn)光衰。因此， 個(gè)別LED 過熱，就會造成LED 陣列發(fā)光的均勻性變差。

2.2 LED 顯著的照明優(yōu)勢

LED 被稱為新光源，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法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

(1)LED 壽命理論上可達(dá)10 萬小時(shí)， 實(shí)際壽命也可達(dá)到2 萬小時(shí)以上，比一般白炙燈泡的1 000 小時(shí)、日光燈具的1 萬小時(shí)更具優(yōu)勢，在汽車使用壽命期間一般無須更換。

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

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

(4)LED 占用體積小， 結(jié)構(gòu)簡單，高耐震，設(shè)計(jì)者可以隨意變換燈具模式，令汽車造型多樣化，滿足不同消費(fèi)者需求。

(5)LED 光源受電壓變化的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jié)能。

基于上述優(yōu)勢，LED 可以在汽車照明中廣泛應(yīng)用，但單個(gè)LED 無法滿足汽車照明強(qiáng)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(qū)動的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

LED 驅(qū)動方式可采用電阻限流、線性穩(wěn)壓器和開關(guān)型變換器3 類。電阻限流方案適用于效率低的應(yīng)用場合，所以對效率要求極高，輸入電壓范圍寬的汽車照明上不采用此方法;線性穩(wěn)壓器適應(yīng)于低電流或LED 正向壓降稍低于電源電壓的場合，但同樣存在效率和輸入電壓范圍小的問題;開關(guān)型變換器具有電路拓?fù)潇`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(diào)節(jié)等因素后，驅(qū)動電路多采用開關(guān)型變換器。開關(guān)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為Buck、Boost 及Buck-Boos 等方式。目前來看，LED 應(yīng)用在汽車照明上，其驅(qū)動電源必然是鉛酸蓄電池。

因?yàn)樾铍姵氐妮斎腚妷悍秶鷷c正常的范圍有很大的出入，因此驅(qū)動電路一般用Buck-Boost 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)滿足LED陣列對電壓要求。此電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直流增益 (輸出電壓與輸入電壓之比)與占空比D(一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，開通時(shí)間與周期的比值)有關(guān)。當(dāng)電池電壓低于LED 所需電壓時(shí)，調(diào)節(jié)D > 0.5，使電路處于升壓狀態(tài);當(dāng)電池電壓高于LED 所需電壓時(shí)，調(diào)節(jié)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，亮度與流過的電流成正比。如果LED 不是恒流驅(qū)動，通過的電流波動時(shí)，即使電壓恒定也會造成LED 的亮度變化。為保證亮度穩(wěn)定可靠，LED 需要恒定的電流來驅(qū)動，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(qū)動電路的輸出必須是恒流輸出而非恒壓輸出。

圖2 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(diào)節(jié)Buck-Boost 電路中開關(guān)管的占空比，保證通過LED 電流恒定;當(dāng)電路出現(xiàn)異常時(shí)，通過控制保護(hù)電路切斷電源，保證LED 不受損害。一般情況下，LED 驅(qū)動電路必須滿足下列要求：

(1)升降壓功能。當(dāng)輸入電壓或LED 本身壓降波動時(shí)，調(diào)節(jié)輸出電壓，滿足輸出電流恒定的要求，保證LED 發(fā)光穩(wěn)定可靠。

(2)高功率轉(zhuǎn)換效率。以降低驅(qū)動損耗，節(jié)省成本，同時(shí)減少蓄電池充電次數(shù)，延長電池使用壽命。

(3)亮度調(diào)節(jié)功能。周圍環(huán)境很暗時(shí)，信號燈往往不需最大電流驅(qū)動，此時(shí)可控制驅(qū)動電流而改變LED的亮度，進(jìn)而降低LED 的耗電量。調(diào)節(jié)驅(qū)動電流常用的方法是利用PWM 信號控制。

(4)具有完善的保護(hù)電路。應(yīng)設(shè)置各種保護(hù)措施，用以保護(hù)自身和LED 可靠工作。例如，低壓鎖存、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)、輸出開路或短路保護(hù)等。

(5)良好的散熱功能。由LED 的熱學(xué)特性可知，溫度是影響LED 工作的重要因素之一。在夜晚行車時(shí)，LED 處于長時(shí)間點(diǎn)亮狀態(tài)，因此，必須有良好的散熱功能，保證LED 的壽命及工作可靠。

汽車的LED尾燈，是如何做的呢?

在開車轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，我們都會開啟左轉(zhuǎn)向燈或者是右轉(zhuǎn)向燈，它會一閃一閃地發(fā)光。對于這樣的一個(gè)功能，如果是研發(fā)工程師，怎么把它開發(fā)出來呢?

開發(fā)電路，一般有兩個(gè)思路。

思路一是采用分立的元器件搭建，比如電阻、電感、二極管、三極管，MOS管、繼電器、光耦、可控硅等等。

思路二是采用某一特定功能的芯片，用芯片的功能來實(shí)現(xiàn)我們想要的電路。

對于汽車的LED尾燈，它對電路的安全性和穩(wěn)定性要求是非常嚴(yán)格的，基本上至少是要達(dá)到PPM級別。所以對于這樣的一個(gè)電路，芯片哥的建議是采用專用的芯片來實(shí)現(xiàn)。

L99LDLH32芯片

L99LDLH32芯片，是一個(gè)可以同時(shí)驅(qū)動32路LED的芯片，符合AEC-Q100汽車級的標(biāo)準(zhǔn)。它的電源電壓工作在5.5V~40V，正好能兼容汽車的9V~16V電壓。

L99LDLH32芯片---ST意法

芯片的OUT0~OUT31是內(nèi)部電路的P溝道MOS管驅(qū)動輸出，可以被工程師直接用來驅(qū)動LED，驅(qū)動的電流范圍在1mA~15mA，并且是可以通過軟件去設(shè)置電流大小的。

不僅能驅(qū)動LED燈，而且芯片還支持自我的診斷功能，比如LED燈壞了，LED燈短路了，LED斷路了。這如果是用來驅(qū)動汽車的LED尾燈，對于安全性來說，是不是很適合呢?

除此之外，芯片自帶溫度采集功能，用來實(shí)時(shí)檢測驅(qū)動的LED燈珠溫度。如果溫度超過設(shè)定的閾值，工程師可以通過減小驅(qū)動的LED電流來達(dá)到降溫功能，起到過溫保護(hù)的功能。

在沒有驅(qū)動LED燈的時(shí)候，也就是待機(jī)的時(shí)候，芯片自身的待機(jī)靜態(tài)電流可以做到40uA。

在軟件方面，它可以通過CAN總線的方式與汽車的其他ECU控制單元保持通信，單片機(jī)的軟件程序就是借助CAN通信來控制LED燈工作狀態(tài)，比如它的亮度，它的電流，它的診斷。