汽車LED照明驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計與突破

一直以來，汽車的剎車燈、轉(zhuǎn)向信號燈、倒車燈以及車尾霧燈都采用21W到27W、亮度為280至570流明的鎢絲燈泡作為光源。車尾燈、泊車燈、車側(cè)顯示燈以及轉(zhuǎn)向信號閃燈采用4W至10W、亮度為40至130流明的鎢絲燈泡，汽車頭燈則采用高亮度的氙氣熒光管(HID)。但在汽車照明中，越來越多地采用 LED作為光源。尾部中央高位剎車燈是最早采用LED的汽車燈。另外，在車燈市場上，其他車外照明和指示燈如剎車燈、轉(zhuǎn)向信號燈以及車內(nèi)照明燈都已改用 LED燈泡。近年來，車外照明燈，如白天行車燈(DRL)，以及車頭近光燈都開始改用LED燈泡。預(yù)計汽車大燈也會很快改用高亮度LED燈。此外，在車身內(nèi)部，一些車內(nèi)顯示器的背光也開始采用LED作為光源，如儀表盤以及TFT顯示器。

　　汽車LED照明系統(tǒng)的優(yōu)點

　　白光LED的色溫約為6000K，視覺上幾乎等同于自然光。由于人眼區(qū)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(qū)分能力。

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

　　驅(qū)動LED燈的技術(shù)要求

　　由于LED的亮度與流過的電流成正比，所以需要恒定的電流源來驅(qū)動LED。在任何情況下，流過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LED驅(qū)動器的設(shè)計屬于電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計，其特點是恒流輸出而非恒壓輸出。

　　在LED驅(qū)動器設(shè)計中，必須增加阻塞電路，為防止電源反向操作提供保護(hù)。我們會遇到的另外一個挑戰(zhàn)是要在汽車?yán)鋯踊蜇?fù)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，小轎車的電池供電電壓介于9V與16V之間(例如12V系統(tǒng)總線)，而大貨車的電池供電電壓則介于18V與32V之間(例如24V系統(tǒng)總線)。在出現(xiàn)負(fù)載斷電或冷啟動的情況時，電池的輸入電壓范圍會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，此時發(fā)電機會繼續(xù)發(fā)電，使用發(fā)電機供電的電容等用電部分就會出現(xiàn)電壓突然增高的現(xiàn)象，如果不采取保護(hù)措施，將會損壞用電器。如果LED的驅(qū)動不是恒流驅(qū)動，LED的電流就會有所變化，造成LED的亮度變化，這就是為什么目前的汽車燈會存在閃爍現(xiàn)象。下面是一個負(fù)載斷電測試的一個定義，用來模仿負(fù)載突斷的一些情形。不同的汽車廠商采用不同的標(biāo)準(zhǔn)，因此負(fù)載斷電測試的定義也各不相同，圖1 只是其中一個案例。

　　圖1 負(fù)載斷電測試的定義　　盡管負(fù)載突降會造成負(fù)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(fù)載斷電箝位電路。12V總線系統(tǒng)的參考電平會被限制在35V到42V之間，而24V總線系統(tǒng)的參考電平會被鉗定在50V到60V之間。

　　在天氣寒冷的時候，啟動裝置會令電池供電電壓大幅下跌，圖2顯示“冷啟動”測試的典型波形。

　　圖2 “冷啟動”測試的典型波形

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

　　LED驅(qū)動技術(shù)

　　電阻限流是LED驅(qū)動方法之一，其優(yōu)點是成本較低、設(shè)計簡單；缺點是電流會隨著正向電壓和驅(qū)動電壓的不同而改變，所以LED發(fā)出的亮度會改變。當(dāng)電池電壓比較高時，驅(qū)動的效率很差，因為此時大部分的功率會消耗在電阻上。此外，限流電阻會產(chǎn)生很大的熱量，導(dǎo)致散熱的問題。所以這是一個簡單、但并不是一個最高效的方法。

　　第二種方法是線性穩(wěn)流器，也叫恒流源。它的優(yōu)點是設(shè)計簡單、電流恒定；缺點是效率很低，而且隨著輸入電壓的升高，線性芯片承載的壓降也就越大，所以線性芯片也會產(chǎn)生很大的熱量。但它改善了電阻限流方法中電流波動的缺點。

　　除了以上兩種方法，還有一種開關(guān)電源式的驅(qū)動方法。表1是三種不同方法的比較，用開關(guān)電源作為LED驅(qū)動的方法具有很高的效率，而且電流恒定。由于開光電源轉(zhuǎn)換器的效率較高，因此被越來越多的車燈生產(chǎn)商使用。其最大的缺點是設(shè)計線路要復(fù)雜些，而且成本相對較高。

　　表1 三種LED驅(qū)動方法比較

　　汽車照明中為什么要用到升壓/降壓LED驅(qū)動器呢？這是因為電池電壓是波動的，在電壓波動時，我們需要保持流過LED的電流恒定，升壓/降壓LED驅(qū)動器可以確保無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(fù)載斷電和冷啟動的時候，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汽車照明應(yīng)用也需要不同的LED驅(qū)動器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。部分汽車燈生產(chǎn)商希望能夠有一個LED驅(qū)動平臺可以適用于不同燈光系統(tǒng)的不同LED配置。升壓/降壓LED驅(qū)動器是大部分高亮度汽車燈光系統(tǒng)的理想驅(qū)動器解決方案?！　M3423(圖3)是NS公司一款升壓/降壓LED驅(qū)動器芯片，它不僅可以提供快速的調(diào)光控制、可靠的保護(hù)和故障顯示等功能，還可以配置升壓、浮動降壓及浮動的升壓/降壓LED驅(qū)動器，滿足不同的LED車載驅(qū)動的要求。

　　圖3 LM3423升壓/降壓應(yīng)用原理圖

　　用于LED背光系統(tǒng)的升壓LED驅(qū)動器

　　在一般的應(yīng)用情況下，我們都會采用升壓恒流LED驅(qū)動器驅(qū)動多串?dāng)?shù)量較多的LED，采用這種配置的LED背光系統(tǒng)可為汽車儀表板及導(dǎo)航系統(tǒng)顯示器提供背光。另外，汽車儀表板顯示器必須加設(shè)調(diào)光控制功能，以便控制LED背光燈的亮度。如在周圍環(huán)境較光亮?xí)r可以調(diào)高亮度，而在周圍環(huán)境較暗時，可以調(diào)低亮度，以防駕駛者的眼睛無法適應(yīng)急劇的亮度轉(zhuǎn)變，影響駕駛安全。此外，具有PWM調(diào)光功能的控制器必須具有很好的對比度，即具有很好的線性調(diào)整度。

　　PWM信號是串脈沖信號，我們可以通過切換電流開關(guān)來控制脈沖的發(fā)射，令LED發(fā)出超過100Hz的閃光，這樣在視覺上我們就會覺得亮度已減，因為人眼會將亮度過濾/平均化。調(diào)光功能的好壞是通過調(diào)光的占空比來實現(xiàn)的，如果器件的占空比很小，那么調(diào)光的范圍就會較大，具有更好的線性度。通常有兩種方法：一種是模擬的信號調(diào)光，另一種是PWM信號的調(diào)光。由于模擬調(diào)光是通過改變LED的電流實現(xiàn)的，當(dāng) LED的電流改變的時候，LED的顏色也會發(fā)生變化，所以我們通常會選用PWM調(diào)光作為亮度控制方法。采用這種方法時，LED要么導(dǎo)通，要么關(guān)斷，不會使 LED的顏色發(fā)生變化。

　　LM3423可支持快速調(diào)光控制以及“0”停機電流功能，適用于汽車導(dǎo)航系統(tǒng)顯示器以及儀表板的LED背光系統(tǒng)(圖 4)。它可以確保流過每個燈的電流是一致的，在LED下方串接了一個MOS管作為調(diào)光控制的開關(guān)。其中，nDIM引腳負(fù)責(zé)執(zhí)行輸入欠壓鎖定以及PWM調(diào)光功能。每當(dāng)輸入PWM信號時，DDRV引腳便會驅(qū)動DIM N-FET，命令串聯(lián)在一起的LED進(jìn)行快速開關(guān)，以便控制亮度，調(diào)光控制頻率可以高達(dá)50kHz。

　　圖4 LM3423升壓LED驅(qū)動器　　圖 5中展示的是調(diào)光效果對比，可以看到，在很低的占空比條件下，可以保持同樣的開關(guān)，流過LED的電流是恒定的。圖中顯示的調(diào)光占空比是0.5%，輸入電壓為12V，LED的電流為100mA，驅(qū)動的數(shù)目為每串10個LED。這里的調(diào)光頻率選擇的是230Hz，當(dāng)周圍環(huán)境的亮度變暗時，汽車顯示器的LED背光便會調(diào)低燈光的亮度。如果占空比很小，那么亮度就可以調(diào)得很低，在環(huán)境亮度很暗的時候，就不會覺得儀表盤的亮度很刺眼。

　　圖5 LM3423調(diào)光控制效果對比

　　使用傳統(tǒng)的升壓模式的驅(qū)動器時會面臨一個問題：不管控制器驅(qū)動工作與否，其輸入和輸出之間都一個通路，這種情況下，輸入端的電池會對負(fù)載有個直流的通路，會造成漏電。當(dāng)用于車載照明時，汽車在長時間不用的時候，有這個通路就會對電池進(jìn)行放電。再次啟動車輛時，就會發(fā)現(xiàn)電池沒電了。另外一個問題是，輸出端出現(xiàn)短路的時候，會對電池進(jìn)行放電。即使主開關(guān)已經(jīng)關(guān)閉，也不會對輸出端的漏電產(chǎn)生影響。針對這種情況，要在輸出端加入保險絲，防止出現(xiàn)短路。利用 LM3423可以解決這個問題，有效延長電池的使用壽命。若LED串與地連接，形成短路，由FLT引腳負(fù)責(zé)驅(qū)動的輸入端P-FET會隨即被關(guān)閉，從而令輸入路徑成為開路，避免了漏電問題。