汽車LED照明方案設(shè)計(jì)

　　發(fā)光二極管(LED)照明為標(biāo)新立異、舒適和用戶定制開啟了一片新天地。這些設(shè)計(jì)機(jī)遇在迅速提升LED在車內(nèi)的應(yīng)用程度和速度。當(dāng)把LED用在車內(nèi)、車前和車尾照明時(shí)，有幾種方法和設(shè)計(jì)技術(shù)可供選擇。

　　對(duì)車用LED來說，其相對(duì)抗振、壽命長(zhǎng)、高能效及可以對(duì)光源進(jìn)行精妙控制等特性是關(guān)鍵因素。與白熾燈泡相比，LED對(duì)機(jī)械震動(dòng)不敏感，但需要驅(qū)動(dòng)電路。一般來說，汽車電氣供電系統(tǒng)以鉛酸電池為電源，該電池由引擎通過機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)/穩(wěn)壓器充電。這樣一個(gè)系統(tǒng)適合老式白熾燈泡，但不適合LED。為使LED達(dá)到最佳性能，需一個(gè)精準(zhǔn)恒流的電流源。

　　為正確驅(qū)動(dòng)LED，需控制電流，而與電壓無關(guān)。光輸出基本取決于電流而不是電壓。理論上，每個(gè)電子都轉(zhuǎn)換為光子，而逃逸出LED的固定比例的光子就成為我們看見的光。

　　若電壓恒定，則只需一個(gè)電阻就可實(shí)現(xiàn)一個(gè)質(zhì)量不高的方案。應(yīng)該指出的是，當(dāng)LED與電阻簡(jiǎn)單串接在一起時(shí)，LED本身在一定程度上是自調(diào)節(jié)的。若溫度升高，LED的效率和亮度都降低，且前向壓降同時(shí)減小。減小的前向壓降又導(dǎo)致電流增加，從而些許彌補(bǔ)了因溫升造成的亮度下降。只要電池電壓恒定，串聯(lián)電阻方案足以滿足計(jì)算機(jī)和儀器儀表應(yīng)用的要求。但汽車行業(yè)強(qiáng)制規(guī)定設(shè)備要能滿足電池在8V至18V間的變化，且還要能容忍80V的峰值。另外，高亮LED會(huì)在電阻上產(chǎn)生大量熱。因而使得熱設(shè)計(jì)更困難。

　　一個(gè)好些但并非最佳的替代方案是采用一個(gè)dc-dc電壓轉(zhuǎn)換器來生成一個(gè)合適的穩(wěn)定電壓然后將此與一個(gè)電阻結(jié)合起來。若你已有一個(gè)為計(jì)算機(jī)或其它電子設(shè)備供電的dc-dc轉(zhuǎn)換器，則該方案可行;另外，這種方法可能是驅(qū)動(dòng)LED最常用的方法。

　　但采用一個(gè)工作時(shí)與電壓無關(guān)的恒流器驅(qū)動(dòng)LED是個(gè)更好方案。能量消耗和能量轉(zhuǎn)換分別是兩種基本的恒流器類型。

　　線性降壓恒流器是能量消耗型恒流器的一個(gè)例子。對(duì)一個(gè)給定電流來說，恒流器兩端壓降所代表的能耗被消耗掉。另一種情況則是能量轉(zhuǎn)換恒流器，它試圖把不同電平間的能量差儲(chǔ)存起來。

　　描述這種能量轉(zhuǎn)換所用的方程是熱力學(xué)基本定律之一：

　　·輸入功率=輸出功率

　　·用W=V·I給定(給定)，替換式中的W：

　　·Vin·Iin=Vout·Iout+(100-X%效率)W發(fā)熱(發(fā)熱)

　　若將LED的前向電壓作為Vout，將所需的電流作為Iout，就將得到描述LED驅(qū)動(dòng)器的一般方程。

　　耗能的LED驅(qū)動(dòng)器

　　用分立器件搭建一個(gè)線性恒流器相對(duì)簡(jiǎn)單。圖1就是一款用分立器件搭建的恒流器。D1應(yīng)是支齊納二極管或電壓參考。電流則由方程ILED=VD1/RSET確定。D2提供對(duì)晶體管基極二極管的簡(jiǎn)單溫度補(bǔ)償。

　　雖然該電路簡(jiǎn)單，但與所有耗能LED驅(qū)動(dòng)器一樣，都存在能量消耗和由電阻產(chǎn)生的發(fā)熱問題。隨著LED亮度的增加，發(fā)熱會(huì)越來越嚴(yán)重。LED點(diǎn)的越亮，浪費(fèi)的能量越多。

　　在電流較小、且串在一起的LED前向電壓的總和略低于電源電壓時(shí)，這種類型的穩(wěn)流方式可以用。有幾家LED驅(qū)動(dòng)器IC廠商采用的就是這種恒流方法。但在驅(qū)動(dòng)高亮度LED時(shí)，不建議采用該方法。

　　省量的LED驅(qū)動(dòng)器

　　在許多情況，開關(guān)恒流器能提供一個(gè)更好的電子方案。開關(guān)恒流器控制一個(gè)串接負(fù)載的通/斷，它也因此得名。在一個(gè)周期內(nèi)， RLC(槽電路)電路被充電。在下一個(gè)周期，該儲(chǔ)存的能量被用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載或用于加高驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能量中樞的電壓水平。這種能量安排一般可實(shí)現(xiàn)高于80%的效率，在大多情況還可達(dá)到90%以上。所以，開關(guān)恒流器可被用于升高電壓、降低電壓甚或反轉(zhuǎn)電壓。而線性恒流器就不具備這些能力。

　　工作描述：輸入電壓和LED電壓之間的壓差，給線圈L充電。當(dāng)在線圈中積聚起能量后，高于其的電壓將下降而電流隨之增加。當(dāng)電流達(dá)到一個(gè)規(guī)定值時(shí)，控制電路將順序關(guān)斷晶體管。然后在一定的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，線圈內(nèi)的部分能量將給LED供電。這樣就在LED上有交迭電流流過。開關(guān)恒流器電路控制電流的峰值?？赏ㄟ^編程恒流器IC或外部器件設(shè)定該值。電流還取決于位于NFET開關(guān)漏極端感應(yīng)電阻的選擇。

　　在降壓恒流器應(yīng)用中，流過LED的電流是連續(xù)的，但卻是交迭的。而整個(gè)電路的能耗卻是不連續(xù)的(圖2)。它可在電源輸入側(cè)引發(fā)問題并通過電源線輕易地引發(fā)噪聲。

　　升壓調(diào)節(jié)器

　　若電源電壓低于全部串接LED前向電壓之和，則要選用升壓恒流器。因升壓恒流器除了要控制電流外，還要控制升高了的電壓，所以，此類恒流器更復(fù)雜。

　　這種升壓恒流器無法處理電源電壓高于全部串接LED前向電壓之和的情況，發(fā)生這種情況時(shí)，電流會(huì)不受控制地急劇增加，如圖3所示。

　　這種LED驅(qū)動(dòng)器還將產(chǎn)生流過LED的脈動(dòng)電流。因流經(jīng)LED的電流相對(duì)較大，所以，它難以被濾除掉。原則上，簡(jiǎn)單升壓恒流器會(huì)在輸出至LED的電流上產(chǎn)生更大噪聲。所以，在PCB布線時(shí)，要使驅(qū)動(dòng)器與LED間的連線盡可能地短。

　　SEPIC恒流器

　　SEPIC恒流器是一種單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器。這種恒流器既可用作升壓又可用作降壓。但線圈間的容抗是其一個(gè)缺陷。該電容必須處理轉(zhuǎn)換為適用于LED的電流和電壓的全部能量。

　　當(dāng)你基本上需要的是一款降壓恒流器而在電源線上又可能有過壓時(shí)，這種類型的恒流器就派上用場(chǎng)。

　　升壓/降壓恒流器

　　一個(gè)好的升壓LED驅(qū)動(dòng)器的最穩(wěn)妥最安全的方案是以級(jí)聯(lián)方式將一個(gè)升壓恒流器和一個(gè)降壓恒流器組合在一起。這種架構(gòu)將優(yōu)化所需的工作降至最少。一個(gè)升壓恒流器更適合為若干并聯(lián)的降壓恒流器提供電源。

　　對(duì)降低噪聲來說，這種作法還是種成效顯著的解決之道。它集升壓恒流器優(yōu)異的電壓輸出與降壓恒流器同樣優(yōu)異的電流輸出雙美于一身。

　　由高壓驅(qū)動(dòng)LED

　　當(dāng)電源電壓很高，而LED的前向壓降(Vf)與之相比要低10到20倍時(shí)，會(huì)出現(xiàn)由對(duì)與LED串接在一起的線圈極短的充電時(shí)間引發(fā)的問題?？焖俪潆?和放電)將導(dǎo)致低效率。

　　充放電周期如圖4所示，可容易地看出：上升時(shí)間(頻率)比恒流的基本頻率高10到20倍。

　　實(shí)現(xiàn)高效及降低輻射噪聲的卓有成效的方法之一是選取一個(gè)開關(guān)頻率以使上升時(shí)間與線圈的規(guī)范頻率相當(dāng)。當(dāng)電壓相差10到20倍時(shí)，應(yīng)選取比線圈最高效頻率低10到20倍的開關(guān)頻率。

　　但當(dāng)電源電壓是串聯(lián)LED前向電壓的兩倍時(shí)，將會(huì)得到一個(gè)優(yōu)化方案。被穩(wěn)定的電流如圖5所示，其中，波形相當(dāng)對(duì)稱。

　　借助其獨(dú)立于電源電壓的優(yōu)勢(shì)以及電源電壓和LED電流間的高度絕緣，還可以將線圈用作變壓器。它可替代升壓和降壓方案，但效率不高。在電感初級(jí) 和次級(jí)繞組間的強(qiáng)磁耦合將提升效率。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：連接LED的任何導(dǎo)線都可短接至地或電源，而不會(huì)產(chǎn)生任何危險(xiǎn)電流。

　　開關(guān)恒流器產(chǎn)生的電噪

　　所有的開關(guān)恒流器都產(chǎn)生噪聲。通用的靠控制電壓水平的dc-dc電壓穩(wěn)壓器可得到濾波后效果很好的電源。這是通過加在輸出端很大的電容器和加快開關(guān)頻率以提升效率實(shí)現(xiàn)的。LED恒流器應(yīng)采用恒流而非穩(wěn)壓的方法。

　　早先提到的降壓恒流器是一種簡(jiǎn)單并具成本效益的恒流器，但若物理實(shí)現(xiàn)安排的不好，將在LED應(yīng)用中產(chǎn)生嚴(yán)重的電噪聲。PCB布線和所選電纜對(duì)控制噪聲水平至關(guān)重要。

　　降低噪聲的一般規(guī)則：

　　1. 降低開關(guān)頻率。

　　2. 連至LED的導(dǎo)線盡量短、電流環(huán)盡量小。

　　3. 若連接LED需要長(zhǎng)導(dǎo)線，應(yīng)加裝濾噪器。

　　4. 采用高速反饋二極管。

　　5. 將開關(guān)晶體管放在PCB中央。

　　6. 仔細(xì)選擇電源線所用的電纜及加裝的濾噪器。

　　除這些一般規(guī)則外，Melexis還采取措施幫助控制驅(qū)動(dòng)器IC的噪聲。在MLX10801和MLX10803驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，將一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器用于開關(guān)頻率以將電噪聲最小化。

　　在汽車電子環(huán)境下，有若干測(cè)試和測(cè)試步驟以評(píng)估電子模塊的相對(duì)噪聲指標(biāo)。一個(gè)普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試步驟是由國際電工委員會(huì)(IEC)的分支機(jī)構(gòu)國際無線電干擾專業(yè)委員會(huì)(CISPR)定義的。

　　圖6是一個(gè)可滿足CISPR25第5級(jí)要求低噪應(yīng)用的簡(jiǎn)單原理圖。線圈L1的形狀大小必須根據(jù)開關(guān)頻率和LED電流確定。為實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，我們可利用能從www.melexis.com上下載的軟件程序和Excel表格。開關(guān)頻率應(yīng)低于150kHz以規(guī)避CISPR25約定的最低頻率帶的要求。程序還提供了ROSC、RSET和 RSENSE值。L2是一個(gè)濾噪器的一部分，當(dāng)要通過最高等級(jí)的降噪要求時(shí)，需要該濾噪器。對(duì)CISPR25等級(jí)1到3來說，可不用線圈L2。

　　當(dāng)在圖6中使用該電路時(shí)，對(duì)典型的0.5~1A的LED電流來說，選L1和L2為100μH是個(gè)好主意。因噪聲的譜域很寬，所以，電容器應(yīng)能同時(shí)處理高頻和低頻。這就是為什么我們?cè)诰€圈L2濾波器的兩端都放置兩組電容的原因。反饋二極管D1是高頻噪聲的主要來源。應(yīng)仔細(xì)選擇該二極管，并在應(yīng)用中反復(fù)測(cè)試。對(duì)輸入電壓低于100V來說，肖特基二極管是最好的選擇。

　　在Melexis的網(wǎng)站論壇“知識(shí)庫”內(nèi)，可找到更多關(guān)于如何進(jìn)行優(yōu)化方案設(shè)計(jì)的信息和幫助。

　　LED的溫度補(bǔ)償

　　根據(jù)結(jié)溫度的不同，紅和黃色的砷化鎵(GaAs)和磷砷化鎵(GaAsP)LED的光輸出有很大變化。典型情況，在25°C時(shí)，100%光輸出的LED，在80°C時(shí)，光輸出將只有40%?？扇菀椎貙?duì)這種光輸出改變實(shí)施補(bǔ)償。改進(jìn)后的低噪設(shè)計(jì)方案，只需增加一個(gè)PTC和NTC電阻(圖7)。

　　如圖8中所示，使用溫度補(bǔ)償PTC和NTC電阻，在80°C時(shí)的相對(duì)光輸出可實(shí)現(xiàn)最大。若無論何種原因，結(jié)溫度低于80°C，PTC電阻將變成一個(gè)相對(duì)低的值并成比例地減小電流。這樣，就需對(duì)PTC系數(shù)和LED光輸出進(jìn)行平衡。

　　為提供保護(hù)，當(dāng)溫度高于80°C時(shí)，位于MLX10803 另一個(gè)參考輸入端的NTC電阻將以同樣的方式降低電流。

　　剎車、轉(zhuǎn)向和尾燈的LED應(yīng)用

　　目前，幾乎全部汽車都采用紅色GaAs LED尾燈。但，大多LED尾燈在寒冷的夜晚太過刺眼，而在悶熱明亮的場(chǎng)合又過于暗淡。多年前，就已基于白熾燈制訂了控制汽車照明的法定標(biāo)準(zhǔn)。白熾燈工作在幾千度的燈絲遇熱發(fā)光條件下。所以，環(huán)境溫度即使相差60°C(在20到80°C間)，其光輸出方面的差別也基本上察覺不到。目前，在冷天，LED尾燈和白熾燈尾燈的亮度差別顯而易見。對(duì)LED在冷天里是否過亮尚存疑問。先前描述的溫度補(bǔ)償方法將使汽車有一個(gè)更專業(yè)、更精致的照明表現(xiàn)，且當(dāng)與白熾燈結(jié)合起來使用時(shí)，看起來效果會(huì)更好。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)組織來說，這種情況也許會(huì)成為一個(gè)需解決的議題，這些組織需要為工作在不同溫度下的照明燈設(shè)立參考規(guī)范。

　　在將剎車和尾燈功能結(jié)合起來的應(yīng)用中，利用脈寬調(diào)制(PWM)產(chǎn)生兩級(jí)照明：一級(jí)作為尾燈，另一級(jí)作為剎車燈。這是因?yàn)長(zhǎng)ED制造商一般只用一個(gè)電流值 (用于產(chǎn)生剎車燈效果的驅(qū)動(dòng)電流值)對(duì)其LED進(jìn)行測(cè)試和分類。過去，沒有用于尾燈那種低亮度輸出的測(cè)試和分類。幸運(yùn)地是，這種情況在改變， LUMILEDs現(xiàn)就對(duì)LED進(jìn)行兩種電流水平的測(cè)試。

　　這很重要，因若LED可匹配兩種電流水平，則司機(jī)可分別交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)特定電流水平，無需借助PWM，那么，也就不再需要PWM了。用PWM方法驅(qū)動(dòng)的 LED尾燈，當(dāng)PWM比率從1:10到1:20且頻率從80Hz到100Hz時(shí)，與傳統(tǒng)的白熾燈相比，其發(fā)出的光看起來很不舒服。這些因?yàn)槿搜蹖?duì)紅光和這些頻率的敏感性。在寒冷環(huán)境和因寒冷環(huán)境使電流補(bǔ)償不到位時(shí)，這種情況會(huì)更嚴(yán)重。

　　本文小結(jié)

　　為實(shí)現(xiàn)更精致的汽車LED照明應(yīng)用，已發(fā)展出若干基于特定場(chǎng)合的IC和應(yīng)用電路。在前述的例子中，討論了如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。為成功研制出完全用于特定應(yīng)用的照明模塊，需要進(jìn)行比在此提及的各措施更多的精雕細(xì)鑿。上述的一般討論應(yīng)有助于照明工程實(shí)現(xiàn)中對(duì)各種制約因素的更好把握，借助這種把握，可用目前的高亮 LED設(shè)計(jì)出更可靠、更爽心悅目的照明方案。