淺談LED在汽車中的應(yīng)用及其驅(qū)動電路的設(shè)計

　　LED 是發(fā)光二極管（Light Emitting Diode） 的簡稱，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體，發(fā)光效率可達80% 至90%。這種半導(dǎo)體組件自開發(fā)以來一般是作為指示燈使用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，LED 對照明領(lǐng)域產(chǎn)生了深刻的影響，被譽為繼白熾燈、熒光燈、氣體放電燈之后的第4 代照明光源。20 世紀80 年代中期，LED 開始應(yīng)用于汽車中央高位制動燈。20 世紀90 年代，汽車儀表LCD 面板背光照明普遍采用LED 這種固態(tài)新光源。

　　進入新世紀后，LED 光源技術(shù)有了更快的發(fā)展，涂敷熒光粉工藝制作成的大功率白光LED 的光效已達到100lm／ W。隨著輸出光通量不斷提高，LED 在汽車照明中的推廣應(yīng)用有了更大的發(fā)展空間。

　　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，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：

　?。?）汽車照明燈點亮無延遲，響應(yīng)時間更快，給駕駛員更多的反應(yīng)時間。

　?。?）照明亮度強，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。

　?。?）高耐震，工作可靠性高，避免因照明故障引起的意外事故。

　?。?）節(jié)能，能夠有效減少廢氣的排放量，保護環(huán)境。

　　（5）基于汽車銷售競爭日益激烈，車燈設(shè)計要實用和美觀。

　　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。

　?。?）LED 壽命理論上可達10 萬小時， 實際壽命也可達到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。

　?。?）點亮無延遲，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。

　?。?）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”。

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

　?。?）LED 光源受電壓變化的影響遠遠小于白熾燈泡，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。

圖1 LED 組合成的照明光源

2.3 LED 驅(qū)動的設(shè)計及特點

　　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撲靈活、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)變換器拓撲結(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。

　　因為蓄電池的輸入電壓范圍會與正常的范圍有很大的出入，因此驅(qū)動電路一般用Buck-Boost 拓撲結(jié)構(gòu)滿足LED陣列對電壓要求。此電路拓撲結(jié)構(gòu)直流增益 （輸出電壓與輸入電壓之比）與占空比D（一個開關(guān)周期內(nèi)，開通時間與周期的比值）有關(guān)。當電池電壓低于LED 所需電壓時，調(diào)節(jié)D ＞ 0.5，使電路處于升壓狀態(tài)；當電池電壓高于LED 所需電壓時，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，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。

　　可以設(shè)計LED 驅(qū)動電路原理圖如圖2 所示。

圖2 LED 驅(qū)動原理圖

　　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ⅲ{(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；當電路出現(xiàn)異常時，通過控制保護電路切斷電源，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：

　?。?）升降壓功能。當輸入電壓或LED 本身壓降波動時，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。

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

　?。?）亮度調(diào)節(jié)功能。周圍環(huán)境很暗時，信號燈往往不需最大電流驅(qū)動，此時可控制驅(qū)動電流而改變LED的亮度，進而降低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。

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

　?。?）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，LED 處于長時間點亮狀態(tài)，因此，必須有良好的散熱功能，保證LED 的壽命及工作可靠。

　　3 LED 的缺陷及解決方法

　　3.1 不一致性帶來的問題

　　理論上LED 都是發(fā)光二極管，但是由于材料的純度、工藝和封裝的差異（即使是同一廠家也難避免），實際LED 陣列中單個LED 的性能是有差異的。這將導(dǎo)致LED的發(fā)光強度與驅(qū)動電流不完全相同，耐過電流能力和發(fā)熱的差異也就自然而然的不同了。因為LED 的差異總有一個最先損壞，會使電流增大而損壞其他的LED。這就