《電子技術應用》
您所在的位置:首頁 > 其他 > 業(yè)界動態(tài) > 汽車LED照明方案設計

汽車LED照明方案設計

2008-01-10
作者:Roger Alm

??? 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(nèi)的應用程度和速度。當把LED用在車內(nèi)、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(qū)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(qū)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(qū)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(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,則只需一個電阻就可實現(xiàn)一個質(zhì)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(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(lián)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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器,則該方案可行;另外,這種方法可能是驅(qū)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(qū)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(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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)動器的一般方程。

耗能的LED驅(qū)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(qū)動器一樣,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(qū)動器IC廠商采用的就是這種恒流方法。但在驅(qū)動高亮度LED時,不建議采用該方法。

省量的LED驅(qū)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(nèi),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(qū)動負載或用于加高驅(qū)動負載的能量中樞的電壓水平。這種能量安排一般可實現(xiàn)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(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(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。開關恒流器電路控制電流的峰值。可通過編程恒流器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(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(qū)動器還將產(chǎn)生流過LED的脈動電流。因流經(jīng)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(chǎn)生更大噪聲。所以,在PCB布線時,要使驅(qū)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(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(qū)動器的最穩(wěn)妥最安全的方案是以級聯(lián)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(lián)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(qū)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(xiàn)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(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(lián)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(chǎn)生任何危險電流。
開關恒流器產(chǎn)生的電噪

??? 所有的開關恒流器都產(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頻率以提升效率實現(xiàn)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(xiàn)安排的不好,將在LED應用中產(chǎn)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(qū)動器IC的噪聲。在MLX10801和MLX10803驅(qū)動器內(nèi),將一個偽隨機數(shù)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(jù)開關頻率和LED電流確定。為實現(xiàn)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(wǎng)站論壇“知識庫”內(nèi),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(jù)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%??扇菀椎貙@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(xiàn)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(shù)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(zhuǎn)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(xiàn),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(diào)制(PWM)產(chǎn)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(chǎn)生剎車燈效果的驅(qū)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(xiàn)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(qū)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(qū)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(xiàn)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(xiàn)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。

本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點。轉(zhuǎn)載的所有的文章、圖片、音/視頻文件等資料的版權歸版權所有權人所有。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認版權者。如涉及作品內(nèi)容、版權和其它問題,請及時通過電子郵件或電話通知我們,以便迅速采取適當措施,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟損失。聯(lián)系電話:010-82306118;郵箱:aet@chinaaet.com。