汽車LED照明驅動電路的設計

陳天殷

（美國亞派克機電 （杭州）有限公司，浙江 杭州 310013）

隨著電子科技的不斷創新和飛速發展，加之節能、環保和低碳的呼聲日益高漲，汽車傳統照明的電光源 （無論是最早的白熾燈，還是20世紀90年代興起的氙燈等）正為高亮度的發光二極管 （High Bright LED，縮略稱為HB LED）所取代。

汽車的車前燈、前后霧燈、第三制動燈、轉向燈、尾燈、晝間行駛燈和儀表板背光都采用LED照明。

1 LED的特性曲線

圖1顯示了發光二極管的輸出特性曲線If=f（Uf），即電流與正向壓降的關系。

LED的輸出特性曲線較陡，作為p－n結類似于傳統二極管的U-I特性，但具有較高的結壓降。在正向電壓達到Uf時，若增加一個小的ΔUf，相應會產生一個較大的正向電流ΔIf。ΔUf增加零點幾伏，ΔIf會增加十幾到幾十毫安，有可能使LED因過流而損壞。因此必須采取阻流措施限制電流劇增。在串、并聯LED的結構中，由于其Uf有離散性，必須測量Uf及分選，使各串LED的ΣUf差值最小，各串的內阻相接近，各并聯支路的LED均流，電流分配均勻，才不至于某一支路LED因過電流燒毀。

LED光輸出強度與其電流和正向壓降成正比，并與溫度成正比。因此LED需要一個恒定電流來驅動，并需要額外的電路。

2 為高亮度LED提供高效的電流驅動控制

LED燈電源決定了LED燈的使用壽命。散熱和光的方向性是LED照明中首要考慮的問題。采用多個小電流的LED串、并聯組成陣列的方案可有效解決散熱問題，同時改善LED照明中光的方向性；而且目前小電流芯片的光效率要高于大功率LED芯片。

2.1 LED的恒流源驅動方式

恒流源驅動是最佳的LED驅動方式，采用恒流源驅動，不用在輸出電路串聯限流電阻，LED上流過的電流也不受外界電源電壓變化、環境溫度變化，以及LED參數離散性的影響，從而能堅持電流恒定，充分發揮LED的各種優異特性。由于在電源工作期間都會自動檢測和控制流過LED的電流，因而，采用LED恒流電源來給LED燈具供電，不用擔憂在通電的霎時有過高的電流流過LED，也不用顧慮負載短路燒壞電源。

為采取阻流措施限制電流劇增，目前有3種基本的限流方式，表1對這3種方式進行了對比 （對應一個白色LED，Uf=4V，ILED=350mA，UIN=12V）。

圖2是用于汽車轉向燈的高亮度LED電源原理圖。它采用固定頻率、高集成度脈寬調制PWM開關轉換器MAX5035，輸出電流可達1 A?；陔姼械腷uck調節器能夠準確控制流過LED（或幾個串聯LED，總電壓為12 V）的電流，MAX5035的開關頻率為125 kHz，輸入電壓高達76 V（須使用更高額定電壓的輸入電容和二極管）。通過調節控制電壓（0～3.9V）， MAX5035LED電流驅動器能夠在LED_A和LED_K端產生近似350～0mA的輸出電流。

表1 3種限流方案比較

此電路可以在較寬的輸入電壓范圍內控制并保持恒定的LED電流。該電路的設計參數為：最小輸入電壓7.5V （大多單個LED）， 最大輸入電壓30V （受D1和C8、 C9限制）， 最大輸出電流350mA （Ucontro1=0）， 最大輸出電壓12V （由MAX5035內部限制，電流350mA），控制電壓范圍Ucontro1為0V （滿電流）至3.9V （全暗）。

控制電壓與3個并聯檢流電阻的電壓共同作用到IC的反饋FB引腳。IC的內部控制環路FB引腳的電壓大約保持在1.22 V，因此，由于控制電壓與電流檢測電壓都必須保持在1.22 V （由電阻R1和R5設置），更高的控制電壓將產生更小的電流。以下的等式可用來設計其輸出電流和控制電壓

式中：UREF=1.22 V；RSENSE——R2、R3與R5的并聯電阻值，為5Ω；Ucontro1——控制電壓。

2.2 LED的散熱

隨著功率的增加，LED的散熱問題顯得越來越突出。大量實際應用表明，LED不能加大輸入功率的基本原因，是由于LED在工作過程中會放出大量的熱，使管芯結溫迅速上升，熱阻變大。輸入功率越高，發熱效應越大。溫度的升高將導致器件性能變化與衰減，非輻射復合增加，器件的漏電流增加，半導體材料缺陷增長，金屬電極電遷移，封裝用環氧樹脂黃化等等，嚴重影響LED的光電參數，甚至使功率LED失效。因此，對于LED器件，降低熱阻與結溫、對發光二極管的熱特性進行研究顯得日趨重要。圖3是白光LED有效光輻射隨結溫的變化關系。

LED的有效光輻射 （發光度／或輻射通量）受其結溫的影響甚為顯著。單顆LED封裝通常被稱為一級LED，而多顆LED芯片裝配在同一金屬基板上的LED通常被稱為二級LED。當二級LED對光均勻度要求很高時，結溫對LED發光效率產生的影響將十分突出。當然可以用一級LED的電、熱、光協同模型來預測二級LED的電學、熱學及光學特性，但前提是需要對LED的散熱環境進行準確的建模。

2.3 LED的驅動器

LED的IC驅動器的挑戰表現在如下3方面：啟動重置 （POR）、軟啟動、過電流及過溫保護、LED開路短路保護；產品可靠高效，適應彈性I／O電壓，應用方便；符合環保意識及安全規范。

車前燈必需具有至少800流明的光輸出量。當前LED已有單只高達400流明的光輸出量 （在1 A時）和超過130 1m／W的光輸出 （在350 mA時），與傳統車前燈相比，采用LED燈效率提高75%以上，也就大大降低每年油耗的水平。一個25 W白光LED車前燈，可以采用由18個串聯LED組成的陣列，使350mA電流流過這些LED以產生所需要的光輸出。

簡單高效驅動這一配置是一項挑戰。作為車前燈驅動控制系統的實例，本文介紹選用凌力爾特（Linear Tec.）的LT3956作為主芯片構建的LED驅動系統。該芯片內嵌有一款DC／DC轉換器，專為充當一個恒定電流和恒定電壓調節器而設計，適合于驅動大電流高亮度的LED。構建效率達94%的25 W白光LED車前燈驅動器電路，其基本結構如圖4所示。

該器件具有一個內部低端N溝道功率MOSFET（金屬－氧化物－半導體場效應管），此MOSFET的額定規格針對84 V／3.3 A而擬定，并由內部一個已調為7.15V的電源來驅動。固定頻率、電流模式架構在一個很寬的電源和輸出電壓范圍內實現穩定的操作。一個參考于搭鐵的電壓反饋FB引腳用作多個LED保護功能電路的輸入，而且還使轉換器能夠起一個恒定電壓源的作用。一個頻率調節引腳允許用戶在100 kHz～1 MHz的范圍內設置頻率，旨在優化效率、性能或外部組件尺寸和控制端口。

LT3956在LED串的高端檢測輸出電流。高端電流檢測是用于驅動LED的最靈活方案，允許采用升壓－降壓模式或降壓－升壓模式配置。脈寬調制PWM輸入提供了高達3000∶1的LED調光比，而調控的CTRL輸入則提供了額外的模擬調光能力。

LT3956的轉換效率可達到94% （取決于輸入電壓和工作頻率）。高轉換效率為車前燈外殼實現簡單明了的散熱設計方案提供了條件。這款LED驅動器本身并不會對LED本身產生的熱量有顯著的影響。上例中，LED驅動器的功率損失為1.5W，這些功率被作為熱量 ［25 W×（1－0.94）］而耗散掉。 它額外的好處是：同時還降低對空間和質量的要求。

3 帶散熱監控功能的智能LED照明控制

高效的專用芯片是LED驅動控制的核心。在實際現場使用中，美國國家半導體 （NS）、凌力爾特（Linear Tec.）、 飛思卡爾 （Freesca1e）、 德國英飛凌（Infineneon）、 德州儀器 （TI）和達拉斯半導體（Da11es Semiconductor）等多家知名公司都有相應不同型號的產品可供選用，性能也受到用戶的肯定。

為避免頻繁更換失效的LED燈或引發火災等災難性的后果，散熱管理是讓LED燈保持長期工作的基本前提，也是整個設計方案中最復雜、要求最嚴格且成本最高的部分。利用NTC（負溫度系數）實施智能控制功能來監視LED燈的溫度是行之有效的散熱管理辦法。

NTC電路的基本原理是通過監控LED燈的溫度來提升LED燈的安全性，并降低設計復雜度。當溫度升高時，控制器減少流明并借以將LED保持在安全水平之內。換言之，當溫度升高時，減少流明；反之，當溫度下降時，則增加流明?？赏ㄟ^檢測NTC上的電壓來檢測LED燈的溫度變化。檢測到的電壓與NTC的溫度有直接關系，而NTC的電阻會隨NTC及其周邊電路溫度的升高而下降。使用NTC確定溫度的方法：可以在系統強制實施已知電壓的分壓器電路中使用NTC，并隨后測量NTC節點上的電壓。NTC溫度升高時，電阻減小。而電阻減小將導致分壓器比的變化。NTC節點的電壓也會隨溫度升高而下降。LED燈溫度監控及調節流程圖如圖5所示。

本文對確保汽車LED照明系統控制的要點和本質，及若干相關的技巧，作了簡要介紹，與國內同仁交流，以保證產品的控制工作得以穩步提高，也期待國內同道指正。

［1］陳天殷.汽車電器電磁兼容性及電磁干擾的抑制［J］.汽車電器， 2007， （1）： 57－59.

［2］陳天殷.小功率電機的可靠性研究［J］.機電工程，2008， （4）： 25－31.

［3］Tom Denton.Automobi1e E1ectrica1 and E1ectronic Systems［M］.E1sevies Butterworth－Heinemann Co.Ltd.， 2009.

［4］Rona1d K. Jurgen. Automotive E1ectronic Handbook（Third Edition）［M］.McGrow－Hi11 Corpanics Inc， 2008.