LED汽車前照燈驅(qū)動電路設(shè)計與仿真

摘要：隨著大功率LED性價比的提高，輸出光流量的增加，使LED應(yīng)用在汽車前照燈成為可能。在輸入電壓在10～14 V之間變化，負(fù)載采用8顆700 mA大功率白光LED的條件下確定驅(qū)動方式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和調(diào)光方式，設(shè)計一種基于LTC3783芯片PWM控制LED亮度的恒流LED汽車前照燈驅(qū)動電路，并用LTspiceIV軟件對電路進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，輸入電壓在10～14 V變化時輸出電流為一個710 mA均值，有0．7％紋波的電流，電流精度為2．1％，輸出電壓為28．6 V，輸出功率為20 W，電路轉(zhuǎn)換效率為91％。有PWM信號輸入時，電路輸出一個與PWM信號相同占空比的電流。通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比實現(xiàn)LED亮度的控制。
關(guān)鍵詞：汽車前照燈：大功率LED；脈寬調(diào)制：LTSPiceIV

0 引言
    有統(tǒng)計表明，90％的交通事故是由于人的因素造成的，危險來源于復(fù)雜的交通狀況，包括不合理信息、缺少信息以及過度緊張等。為了有效地減少盲區(qū)，避免眩光，提高夜間行車的安全性，一些著名汽車公司提出了先進(jìn)前照燈系統(tǒng)或自適應(yīng)前照系統(tǒng)(AFS)的概念，其特點是車輛前燈能主動調(diào)整照明光軸方向，自動適應(yīng)夜間行車環(huán)境(包括迎面車輛、彎道坡度、高速公路、城市街區(qū)等情況)的變化。近年來，高亮度LED的發(fā)展很快，汽車前照系統(tǒng)中采用高亮度或超高亮度LED將是一種發(fā)展趨勢。目前，已有1 201 m超高亮度LED的報道，8個超高亮度LED就能產(chǎn)生10 001 m的光強(qiáng)。LED光源除了顯而易見的壽命長，結(jié)構(gòu)堅固，功耗低等優(yōu)點外，其固有的體積小，設(shè)計更靈便，反應(yīng)快，控制更容易等特點，使它在汽車自適應(yīng)前照系統(tǒng)中的應(yīng)用有較大的潛在優(yōu)勢。
    汽車電氣是酸鉛蓄電池供電的，典型值為12 V，但實際電壓在12 V左右不斷變化。如何利用電壓值低且不斷變化的汽車電源設(shè)計一種電流精度高，亮度可調(diào)，低功耗的驅(qū)動電路是制造LED汽車前照燈的關(guān)鍵技術(shù)。本文在輸入電壓為汽車電源電壓，負(fù)載采用8顆700 mA大功率白光LED的條件下設(shè)計一種基于LTC3783芯片PWM控制LED亮度的恒流LED汽車前照燈驅(qū)動電路，輸出電流穩(wěn)定、精度高、電路轉(zhuǎn)換效率高。

1 LED發(fā)光特性及驅(qū)動類型的選擇
1．1 LED發(fā)光特性
    由于LED本質(zhì)上就是能發(fā)光的二極管，只不過門檻電壓和導(dǎo)通壓降要更大，它的動態(tài)阻抗相對較小，較小的電壓變化就能導(dǎo)致較大的電流變化，其工作電流與導(dǎo)通壓降呈指數(shù)式的變化規(guī)律，如下式所示：
   
    式中：Is為反向飽和電流；If為正向工作電流，指LED正常發(fā)光時的正向電流值。
    LED是電流型器件，發(fā)光亮度與工作電流有關(guān)，。其中：m近似等于1；K為比例系數(shù)。當(dāng)電流增大時，發(fā)光亮度呈正比增大。為保持同等的光輸出，LED驅(qū)動電源應(yīng)該控制通過LED的電流大小不變，即用恒流源驅(qū)動LED。
   該設(shè)計中的負(fù)載采用8個Luxeon公司型號為LXML-PWC1-0120的LED串聯(lián)。LED規(guī)格參數(shù)如表1所示。

1．2 驅(qū)動類型的選擇
1．2．1 驅(qū)動方式
    LED驅(qū)動方式可分為恒壓源驅(qū)動和恒流源驅(qū)動。恒壓源驅(qū)動的負(fù)載一般采用LED多支路并聯(lián)，每個支路都要串連一個有一定阻值的鎮(zhèn)流電阻，要求高電流輸出時，電路的轉(zhuǎn)化效率較低。由于LED是電流型器件，即使電壓發(fā)生微小的變化也可引起電流的大幅度變動，恒壓源驅(qū)動將影響到LED的發(fā)光質(zhì)量和穩(wěn)定性；恒流源驅(qū)動能控制輸出電流穩(wěn)定，LED發(fā)光質(zhì)量好，一般采用串聯(lián)連接，只有一個小阻值的檢測電阻，效率相對較高，適用于汽車前照燈LED驅(qū)動上。恒流源串聯(lián)驅(qū)動時，一般每個LED并聯(lián)一個穩(wěn)壓管，防止某個LED燒壞導(dǎo)致整個電路開路。
1．2．2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    LED驅(qū)動電路可分為線性穩(wěn)壓器電路和開關(guān)型變換器電路。線性穩(wěn)壓驅(qū)動電路雖然比較簡單，但是在芯片和限流電阻上的功耗比較大，效率非常低。開關(guān)型變換器驅(qū)動又分為電荷泵驅(qū)動和電感式驅(qū)動。電荷泵驅(qū)動器是利用電容將電流從輸入端傳到輸出端，整個方案不需要電感，具有體積小，設(shè)計簡單的優(yōu)點，但它只能提供有限的輸出電壓范圍，不適用于多個大功率LED串聯(lián)。所以設(shè)計中采用了電感式升壓驅(qū)動。在圖1電路中，當(dāng)MOSFET管M1導(dǎo)通時，電感電流增加，開始儲能，LED開始發(fā)光，續(xù)流二極管由于承受反向電壓關(guān)閉。當(dāng)MOSFET管M1關(guān)斷時，電感電流減少，開始釋放能量，通過肖特基二極管續(xù)流。
1．2．3 調(diào)光方式
    在汽車前照燈系統(tǒng)中，通過控制LED的亮度可以實現(xiàn)近光和遠(yuǎn)光的轉(zhuǎn)換，而在自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)中調(diào)節(jié)LED亮度配合LED陣列不同位置LED的亮滅可實現(xiàn)照射光束不同的照明距離和偏轉(zhuǎn)角度，適應(yīng)不同的路況信息。當(dāng)輸入電壓值有波動時，LED的電流也隨著波動，通過電流反饋，可以進(jìn)行調(diào)光控制保證流過LED的電流不變。另外LED亮度調(diào)節(jié)還可以應(yīng)用在熱調(diào)節(jié)電路上，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的體積大的散熱片裝置。能夠準(zhǔn)確，高效地實現(xiàn)LED調(diào)光也是驅(qū)動電路考慮的重要因素之一。

    通常情況下，可采用外部SET電阻、線性調(diào)節(jié)和PWM調(diào)節(jié)等技術(shù)來控制LED的亮度。在LED驅(qū)動器外部使用SET電阻的方式缺乏靈活性，無法進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。線性調(diào)節(jié)可動態(tài)控制LED的亮度，但會降低LED的效率，并引起白光LED朝向黃色光譜的色彩偏移。相比較而言，PWM調(diào)節(jié)技術(shù)的優(yōu)勢十分明顯，當(dāng)PWM脈沖為有效高電平或低電平時，LED輸入電流分別為最大或0，其導(dǎo)通時間受控于PWM引腳輸入脈沖的占空比。由于LED始終工作于相同的電流條件下，通過施加一個PWM信號來控制LED亮度的做法，可以在不改變顏色的情況下實現(xiàn)對LED亮度的動態(tài)調(diào)節(jié)。
    為保證PWM調(diào)光不被人眼察覺，PWM調(diào)光頻率一般要大于100 Hz，但過高的頻率會增加MOSFET的動態(tài)損耗。該設(shè)計中取PWM調(diào)光頻率為120 Hz。[!--empirenews.page--]
1．2．4 設(shè)計規(guī)格
    表2所示為本文LED恒流驅(qū)動電路的設(shè)計規(guī)格。

2 驅(qū)動主電路設(shè)計
2．1 電路組成
    該電路主要由LTC3783，MOSFET管M1、M2，電感L1，續(xù)流二極管D9，檢測電阻R9，輸出電容C4大功率LED串組成的升壓型電感式電流控制模式驅(qū)動電路。主電路如圖2所示，LTC3783是凌特公司推出的電流模式多拓?fù)滢D(zhuǎn)換器PWM調(diào)光范圍的大功率LED驅(qū)動器，應(yīng)用范圍包括電信、汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)中的高壓LED陣列、背光照明以及穩(wěn)壓器。

    通過改變芯片F(xiàn)REQ引腳外接電阻的大小來決定芯片的高頻控制信號頻率f，GATE引腳輸出一個峰值為7 V的脈沖信號，它是PWMIN引腳接收的PWM控制脈沖和芯片LTC3783高頻控制輸出脈沖的與。GATE引腳驅(qū)動MOSFET管M1，控制功率MOSFET管M1的通斷，引起流過電感L1電流的變化，產(chǎn)生一個壓降，它與輸入電壓的和為輸出電壓。PWMOUT引腳輸出一個與PWMIN引腳相同的PWM控制脈沖信號，驅(qū)動MOSFET管M2，PWM脈沖的占空比決定LED串電流的占空比，進(jìn)而控制LED串的亮度。FBN引腳接受檢測電阻R9反饋的電壓信號，當(dāng)輸出電流因輸入電壓發(fā)生變化時，調(diào)整電路占空比，保持輸出電流恒定。
2．2 主要參數(shù)的計算
2．2．1 開關(guān)頻率f的選取
    PWM控制脈沖信號與芯片高頻開關(guān)控制信號如圖3所示，可以看出兩者有如下關(guān)系：
   

    采用PWM控制LED亮度時，一般為了避免讓人覺察，控制脈沖的頻率選擇fPWM=120 Hz。每個控制脈沖高電平至少要包含2個芯片高頻開關(guān)脈沖，即N>2。為了達(dá)到數(shù)字化實現(xiàn)DPWM為1：3 000的調(diào)光比，選擇芯片頻率f為1 MHz。而芯片開關(guān)頻率是由連接在芯片F(xiàn)REQ上的電阻R2決定的。f與R2的關(guān)系如圖4所示，該設(shè)計中選擇R2=6 kΩ。[!--empirenews.page--]
2．2．2 計算電路占空比D
   電路最大占空比計算公式為；
  
   式中：VOUT為輸出電壓；VIN(MIN)為最小輸入電壓；VD為二極管D4的正向壓降V。最小輸入電壓為10 V，輸出電壓為28．6 V，二極管正向壓降為0．4 V，由式(3)計算得到最大占空比為59％。LTC3783允許的最大占空比可以達(dá)到90 ％。
2．2．3 計算最大輸入電流
    計算最大輸入電流的目的是為了計算其他元件的額定值，輸入電流計算公式為：
   
    式中：χ／2表示紋波電流與平均電流的比值。這里取χ=Iout×20％=700 mA；DMAX為59％；算得最大輸入電流為1．8 A。
2．2．4 輸入電感L1的計算
    經(jīng)過電感L1的紋波電流為：
   
    算得L=12μH。
2．2．5 輸出電容C4的計算
    輸出電容主要是減少輸出電流的紋波。LED上流過電流的紋波對LED的光效和光衰有重要影響，在一定的平均電流下，紋波越大，則有效值越大，轉(zhuǎn)化成的熱量越多，光效越低，光衰越厲害，壽命越短。所以對LED來說，較好的驅(qū)動電流是紋波很小的直流電流。
    假設(shè)紋波電壓不超過輸出電壓的1％，有：
   
    電容越大紋波電流越小，考慮成本因素，取式(7)計算得到的輸出電容最小值為5 μF。為防止產(chǎn)生過多的熱量，輸出電容應(yīng)選取低ESR值，高耐壓的陶瓷電容。

3 MOSFET管、續(xù)流二極管的選取
    MOSFET管漏端電壓為輸出電壓等于28．6 V，假設(shè)用高于額定電壓的30 ％來計算漏極峰值電壓，那么MOSFET管漏極的最大電壓為38 V。流過MOSFET管M1的最大電流IIN(MAX)為1．8 A，M2的最大電流為700 mA左右，一般選取實際電流的3倍為MOSFET管的額定電流。所以選取耐壓值為60 V，最大正向電流為7．5 A，內(nèi)阻為11 mΩ的N溝道MOSFET管，型號為SI4470EY。
    D9的電壓與MOSFET管M1的電壓相同，最大電壓為38 V，流過D9的電流等于負(fù)載輸出電流700 mA，所以選擇耐壓值為40 V，最大正向電流為1．16 A的肖特基二極管，型號為ZETEX ZLLS1000。

4 仿真結(jié)果
    用LTspiceIV軟件對電路進(jìn)行仿真。圖5是輸入電壓分別為10 V，12 V，14 V，無PWM調(diào)光時負(fù)載LED隨時間變化的輸出電流值。圖5可以看出，隨著輸入電壓發(fā)生變化，電路的占空比發(fā)生變化，輸出電流基本不變。電流穩(wěn)定后測得電流在705～715 mA之間變化，即驅(qū)動電路輸出一個均值為710 mA，有0．7％紋波的電流。電流精度為：
   
    式中IOUT(MAX)為實際輸出電流最大值；IP為設(shè)定的輸出電流。
    圖6為PWM調(diào)光時，PWM波形和MOSFET漏極電壓波形圖，可以看出功率管MOSFET的輸入信號是PWM輸出信號和LTC3783高頻開關(guān)控制輸出信號的與，兩個信號的占空比都可以調(diào)節(jié)輸出電流的大小。

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    圖7為PWM調(diào)光時控制脈沖占空比分別為20％，50％，80％時實際的輸出電流。實際輸出電流與PWM脈沖的占空比相同，進(jìn)而實現(xiàn)LED亮度的調(diào)節(jié)。

    為計算電路的轉(zhuǎn)換效率，測得驅(qū)動電路的輸入電壓、輸入電流、輸出電壓和輸出電流的值如圖8所示?？梢钥闯鲚斎腚妷篤IN為12 V，輸入電流IIN為1．86 A，輸出電壓VOUT為28．6 V，輸出電流IOUT為710 mA，因此電路轉(zhuǎn)換效率為：
   

5 結(jié)語
    本文基于凌特公司的LTC3783芯片，設(shè)計了用于汽車前照燈的8個大功率白色LED串驅(qū)動電路。仿真結(jié)果表明，在輸入電壓在10～14 V時，輸出電流為一個均值，大小710 mA，有0．7％紋波的電流，電流精度為2．1％，輸出電壓為28．6 V，輸出功率為20 W，電路轉(zhuǎn)換效率為91％。驅(qū)動電路同時具有PWM調(diào)光的功能，輸出一個與PWM信號占空比相同的電流。本文設(shè)計的LED驅(qū)動電路具有恒流精度高，輸出功率大，轉(zhuǎn)
換效率高，亮度可調(diào)的特點。