??? 發(fā)光二極管(LED)照明為標新立異、舒適和用戶定制開啟了一片新天地。這些設計機遇在迅速提升LED在車內的應用程度和速度。當把LED用在車內、車前和車尾照明時，有幾種方法和設計技術可供選擇。
??? 對車用LED來說，其相對抗振、壽命長、高能效及可以對光源進行精妙控制等特性是關鍵因素。與白熾燈泡相比，LED對機械震動不敏感，但需要驅動電路。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械方式驅動的交流發(fā)電機/穩(wěn)壓器充電。這樣一個系統(tǒng)適合老式白熾燈泡，但不適合LED。為使LED達到最佳性能，需一個精準恒流" title="恒流">恒流的電流源。
為正確驅動LED，需控制電流，而與電壓無關。光輸出基本取決于電流而不是電壓。理論上，每個電子都轉換為光子，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，則只需一個電阻就可實現一個質量不高的方案。應該指出的是，當LED與電阻簡單串接在一起時，LED本身在一定程度上是自調節(jié)的。若溫度升高，LED的效率和亮度都降低，且前向壓降同時減小。減小的前向壓降又導致電流增加，從而些許彌補了因溫升造成的亮度下降。只要電池電壓恒定，串聯電阻方案足以滿足計算機和儀器儀表應用的要求。但汽車行業(yè)強制規(guī)定設備要能滿足電池在8V至18V間的變化，且還要能容忍80V的峰值。另外，高亮LED會在電阻上產生大量熱。因而使得熱設計更困難。
??? 一個好些但并非最佳的替代方案是采用一個dc-dc" title="dc-dc">dc-dc電壓轉換器來生成一個合適的穩(wěn)定電壓然后將此與一個電阻結合起來。若你已有一個為計算機或其它電子設備供電的dc-dc轉換器，則該方案可行；另外，這種方法可能是驅動LED最常用的方法。
但采用一個工作時與電壓無關的恒流器驅動LED是個更好方案。能量消耗" title="能量消耗">能量消耗和能量轉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例子。對一個給定電流來說，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換恒流器，它試圖把不同電平間的能量差儲存起來。
??? 描述這種能量轉換所用的方程是熱力學基本定律之一：
??? 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驅動器的一般方程。
耗能的LED驅動器
??? 用分立器件搭建一個線性恒流器相對簡單。圖1就是一款用分立器件搭建的恒流器。D1應是支齊納二極管或電壓參考。電流則由方程ILED=VD1/RSET確定。D2提供對晶體管基極二極管的簡單溫度補償。
?
??? 雖然該電路簡單，但與所有耗能LED驅動器一樣，都存在能量消耗和由電阻產生的發(fā)熱問題。隨著LED亮度的增加，發(fā)熱會越來越嚴重。LED點的越亮，浪費的能量越多。
??? 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" title="電源電壓">電源電壓時，這種類型的穩(wěn)流方式可以用。有幾家LED驅動器IC廠商采用的就是這種恒流方法。但在驅動高亮度LED時，不建議采用該方法。
省量的LED驅動器
??? 在許多情況，開關恒流器能提供一個更好的電子方案。開關恒流器控制一個串接負載的通/斷，它也因此得名。在一個周期內，RLC(槽電路)電路被充電。在下一個周期，該儲存的能量被用于驅動負載或用于加高驅動負載的能量中樞的電壓水平。這種能量安排一般可實現高于80%的效率，在大多情況還可達到90%以上。所以，開關恒流器可被用于升高電壓、降低電壓甚或反轉電壓。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。當電流達到一個規(guī)定值時，控制電路將順序關斷晶體管。然后在一定的關斷時間內，線圈內的部分能量將給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或外部器件設定該值。電流還取決于位于NFET開關漏極端感應電阻的選擇。
??? 在降壓恒流器應用中，流過LED的電流是連續(xù)的，但卻是交迭的。而整個電路的能耗卻是不連續(xù)的(圖2)。它可在電源輸入側引發(fā)問題并通過電源線輕易地引發(fā)噪聲。
升壓調節(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，電流會不受控制地急劇增加，如圖3所示。
?
??? 這種LED驅動器還將產生流過LED的脈動電流。因流經LED的電流相對較大，所以，它難以被濾除掉。原則上，簡單升壓恒流器會在輸出至LED的電流上產生更大噪聲。所以，在PCB布線時，要使驅動器與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電感轉換器。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缺陷。該電容必須處理轉換為適用于LED的電流和電壓的全部能量。
??? 當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，這種類型的恒流器就派上用場。
升壓/降壓恒流器
??? 一個好的升壓LED驅動器的最穩(wěn)妥最安全的方案是以級聯方式將一個升壓恒流器和一個降壓恒流器組合在一起。這種架構將優(yōu)化所需的工作降至最少。一個升壓恒流器更適合為若干并聯的降壓恒流器提供電源。
??? 對降低噪聲來說，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。
由高壓驅動LED
??? 當電源電壓很高，而LED的前向壓降(Vf)與之相比要低10到20倍時，會出現由對與LED串接在一起的線圈極短的充電時間引發(fā)的問題?？焖俪潆?和放電)將導致低效率。
??? 充放電周期如圖4所示，可容易地看出：上升時間(頻率)比恒流的基本頻率高10到20倍。
??? 實現高效及降低輻射噪聲的卓有成效的方法之一是選取一個開關頻率" title="開關頻率">開關頻率以使上升時間與線圈的規(guī)范頻率相當。當電壓相差10到20倍時，應選取比線圈最高效頻率低10到20倍的開關頻率。
??? 但當電源電壓是串聯LED前向電壓的兩倍時，將會得到一個優(yōu)化方案。被穩(wěn)定的電流如圖5所示，其中，波形相當對稱。
?
??? 借助其獨立于電源電壓的優(yōu)勢以及電源電壓和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。在電感初級和次級繞組間的強磁耦合將提升效率。它具有如下優(yōu)點：連接LED的任何導線都可短接至地或電源，而不會產生任何危險電流。
開關恒流器產生的電噪
??? 所有的開關恒流器都產生噪聲。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頻率以提升效率實現的。LED恒流器應采用恒流而非穩(wěn)壓的方法。
??? 早先提到的降壓恒流器是一種簡單并具成本效益的恒流器，但若物理實現安排的不好，將在LED應用中產生嚴重的電噪聲。PCB布線和所選電纜對控制噪聲水平至關重要。
??? 降低噪聲的一般規(guī)則：
?? ?1. 降低開關頻率。
??? 2. 連至LED的導線盡量短、電流環(huán)盡量小。
??? 3. 若連接LED需要長導線，應加裝濾噪器。
??? 4. 采用高速反饋二極管。
??? 5. 將開關晶體管放在PCB中央。
????6. 仔細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動器IC的噪聲。在MLX10801和MLX10803驅動器內，將一個偽隨機數發(fā)生器用于開關頻率以將電噪聲最小化。
??? 在汽車電子環(huán)境下，有若干測試和測試步驟以評估電子模塊的相對噪聲指標。一個普遍采用的標準和測試步驟是由國際電工委員會(IEC)的分支機構國際無線電干擾專業(yè)委員會(CISPR)定義的。
??? 圖6是一個可滿足CISPR25第5級要求低噪應用的簡單原理圖。線圈L1的形狀大小必須根據開關頻率和LED電流確定。為實現這點，我們可利用能從www.melexis.com上下載的軟件程序和Excel表格。開關頻率應低于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是一個濾噪器的一部分，當要通過最高等級的降噪要求時，需要該濾噪器。對CISPR25等級1到3來說，可不用線圈L2。
?
??? 當在圖6中使用該電路時，對典型的0.5~1A的LED電流來說，選L1和L2為100μH是個好主意。因噪聲的譜域很寬，所以，電容器應能同時處理高頻和低頻。這就是為什么我們在線圈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。應仔細選擇該二極管，并在應用中反復測試。對輸入電壓低于100V來說，肖特基二極管是最好的選擇。
??? 在Melexis的網站論壇“知識庫”內，可找到更多關于如何進行優(yōu)化方案設計的信息和幫助。
LED的溫度補償
??? 根據結溫度的不同，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，100%光輸出的LED，在80°C時，光輸出將只有40%。可容易地對這種光輸出改變實施補償。改進后的低噪設計方案，只需增加一個PTC和NTC電阻(圖7)。
?
??? 如圖8中所示，使用溫度補償PTC和NTC電阻，在80°C時的相對光輸出可實現最大。若無論何種原因，結溫度低于80°C，PTC電阻將變成一個相對低的值并成比例地減小電流。這樣，就需對PTC系數和LED光輸出進行平衡。
?
?
??? 為提供保護，當溫度高于80°C時，位于MLX10803另一個參考輸入端的NTC電阻將以同樣的方式降低電流。
剎車、轉向和尾燈的LED應用
??? 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準。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LED在冷天里是否過亮尚存疑問。先前描述的溫度補償方法將使汽車有一個更專業(yè)、更精致的照明表現，且當與白熾燈結合起來使用時，看起來效果會更好。對標準組織來說，這種情況也許會成為一個需解決的議題，這些組織需要為工作在不同溫度下的照明燈設立參考規(guī)范。
??? 在將剎車和尾燈功能結合起來的應用中，利用脈寬調制(PWM)產生兩級照明：一級作為尾燈，另一級作為剎車燈。這是因為LED制造商一般只用一個電流值(用于產生剎車燈效果的驅動電流值)對其LED進行測試和分類。過去，沒有用于尾燈那種低亮度輸出的測試和分類。幸運地是，這種情況在改變，LUMILEDs現就對LED進行兩種電流水平的測試。
??? 這很重要，因若LED可匹配兩種電流水平，則司機可分別交替驅動兩個特定電流水平，無需借助PWM，那么，也就不再需要PWM了。用PWM方法驅動的LED尾燈，當PWM比率從1:10到1:20且頻率從80Hz到100Hz時，與傳統(tǒng)的白熾燈相比，其發(fā)出的光看起來很不舒服。這些因為人眼對紅光和這些頻率的敏感性。在寒冷環(huán)境和因寒冷環(huán)境使電流補償不到位時，這種情況會更嚴重。
本文小結
??? 為實現更精致的汽車LED照明應用，已發(fā)展出若干基于特定場合的IC和應用電路。在前述的例子中，討論了如何應對這些挑戰(zhàn)。為成功研制出完全用于特定應用的照明模塊，需要進行比在此提及的各措施更多的精雕細鑿。上述的一般討論應有助于照明工程實現中對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設計出更可靠、更爽心悅目的照明方案。