如何實(shí)現(xiàn)汽車電子中LED照明電源的設(shè)計(jì)?
自上世紀(jì)90 年代白色LED 的出現(xiàn)開始,其亮度增大趨勢是如此之快,以至于我們都把它們視為21世紀(jì)的光源?,F(xiàn)在我們使用白色LED 作為汽車前照燈的光源,這樣它們的優(yōu)越性就可以得到充分的展示。這種新系統(tǒng)比通常使用的鹵鎢燈要明亮,與HID頭燈的亮度差不多。但是考慮到LED 光源特有的優(yōu)越性,比如重量輕、安裝深度小、耗能低、壽命更長、沒有環(huán)境污染等,它們的確更適合作為下一代汽車前照燈系統(tǒng)的光源。此外,白色LED 的使用還可以使整個車的設(shè)計(jì)變得更加靈活?,F(xiàn)在我們正在進(jìn)行白光LED 汽車前照燈的研發(fā)工作,以充分展示它們的優(yōu)越性。
1 白光LED 的現(xiàn)狀
1.1 白光LED 的原理
白光LED 有幾種不同的工作原理,表1 展示了3種典型的原理。表la 中的“藍(lán)光LED + $熒光粉”
型是是白光LED 發(fā)展的最高水平,它最有可能被用在第一代LED 汽車前照燈系統(tǒng)中。表1b 中的“紫外線LED + 紅綠藍(lán)三色熒光粉”型因其高的顯色指數(shù)而最有潛力作為通常的照明系統(tǒng)用燈,但作為前照燈系統(tǒng)使用時還應(yīng)研究如何克服紫外光對塑料的老化作用。表1c 中的“紅綠藍(lán)三芯片”型有改變發(fā)光顏色的性能,但它目前仍然不能在前照燈系統(tǒng)中使用,因?yàn)楹茈y克服它在使用過程中顏色的改變,這種顏色改變可能來自3 種芯片溫度特性的不同,也可能來自不同LED 的損耗退化速度。
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P型N型(PN)結(jié)二極管,它允許電流僅在一個方向上通過它。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LED的數(shù)據(jù)表規(guī)格,特別是在單個電路中應(yīng)用不同顏色的LED時。
圖 #2
例如,當(dāng)使用紅綠藍(lán) (RGB) 照明進(jìn)行開發(fā)時,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。
考慮到您采用單個公共電源操作這些 LED,您可能需要為每個彩色 LED 配備一個計(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)。
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,并在某個時候器件發(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)。
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,并在某個時候器件發(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 LED 串聯(lián)使用,VF 計(jì)算應(yīng)考慮 3 個 LED 上的整個壓降 VF(LED 的正向電流 IF 保持不變)。
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)時間更快,給駕駛員更多的反應(yīng)時間。
(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,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,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,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,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, 實(shí)際壽命也可達(dá)到2 萬小時以上,比一般白炙燈泡的1 000 小時、日光燈具的1 萬小時更具優(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)時間更快。LED 的啟動時間僅為幾十納秒,啟動時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LED 無法滿足汽車照明強(qiáng)度的要求,必須多個串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)成LED 陣列使用,如圖1 所示。