基于PWM 調光模式的白光LED 驅動設計研究

李祥兵， 王春才， 王 坦， 趙曉茹， 彭 麗

（神龍汽車有限公司技術中心， 湖北 武漢 430050）

1 前言

在車燈技術領域，隨著LED光源的廣泛普及，電子系統所占比例越來越高。隨著LED光源能實現的車燈功能日益增多，車燈效果動態化甚至基于人類情感的高度智能化控制等技術不斷涌現，可以說，未來的車燈將完全是一個高度智能的電子產品。從設計角度來看，LED車燈設計不僅要考慮LED本身的壽命和可靠性，LED驅動的壽命和可靠性也非常重要。從用戶角度來看，車燈系統需要具備節能、智能、可靠、標準化以及低成本等綜合特征［1］。由于LED的亮度與其輸入電流之間不完全是線性關系，導致當前大部分采用LED恒流驅動實現的LED功能在長時間點亮過程后出現顏色偏移、均勻性變差等問題［2］。為了解決這些問題，PWM （脈沖調制） 技術是當前最好的技術手段。作為實現車燈單光源多功能的基礎性技術，LED調光技術正被廣泛運用。在中大功率的LED調光技術中，如何基于PWM調光技術在設計中進行拓撲結構選擇，如何更好地發揮驅動的使用效率也一直是當前設計中面臨的難點。

2 LED對電路驅動的總體設計要求

2.1 LED的工作特點

LED是單向導電器件，必須用直流或單向脈沖電源給LED供電。LED同時又是PN結，具有勢壘電勢，正常工作時，LED正向工作電壓為3～4V。在LED的伏安特性曲線中，流過LED兩端的電流和電壓是非線性關系，且當電壓發生微小變化時，電流會有非常大的變化，因此LED必須采用恒流源驅動［3］，否則過大的電流脈沖會導致LED損壞。另外，LED亮度與LED兩端的電流之間也是非線性關系，這決定了恒流源的電流輸出必須非常穩定才能保證LED亮度的穩定性，從而保證LED長時間點亮的顏色和均勻性不發生變化。

2.2 白光LED對驅動的主要要求

1） 效率高的電源。電源必須是高精度的恒流驅動，且驅動電路結構簡單，占用體積小，能量轉換效率高。對于多路輸出，每一路輸出必須能單獨控制［4］。由于LED本身的抗浪涌能力差，因此要求驅動電路具有良好的浪涌保護性能。另外，LED溫度熱保護、電磁兼容方面也需要滿足規定的要求。

2） 對于多功能結構，驅動必須具備線性度好的調光功能。

3） LED車燈功能啟動和關閉時，保證LED能完全從電源端接通和切斷，不要出現閃爍。

3 PWM調光及優勢

3.1 PWM調光原理

圖1為PWM的調光原理。由于LED的亮度與PWM占空比之間成線性關系，因此，輸入恒定的PWM占空比可以實現LED亮度和顏色的穩定性，這是PWM調光方式的顯著優勢。

圖1 PWM的調光原理

PWM調光是通過PWM方波實現正向導通LED，并通過改變其正向導通時間來實現亮度調節的一種方法。從理論上講，采用PWM調光的LED一直處于時亮時暗的閃爍狀態，但由于人眼對亮度閃爍不夠敏感的特性，即當閃爍頻率超過100Hz時，人眼看到的只是LED的平均亮度，而不是LED的閃爍現象。另外，對于大于100Hz的光閃爍，人眼對亮度的感知是一個累積效應，即在一個PWM周期內，LED點亮時間所占的比例越大，人眼就感覺越亮。基于這種原理，只要調整PWM一個周期內輸入電流的時間，即調節PWM占空比，即可以實現LED亮度的調節［5］。

具體實現PWM調光的方法就是在LED的負載中串入一個MOS開關管或者直接驅動LED，通過不同的占空比設置來實現調節亮度的目的。

3.2 PWM調光方式的特點

與模擬調光相比，PWM調光的優缺點見表1。

表1 PWM調光和模擬調光的優缺點

4 典型PWM驅動白光LED電路研究

利用PWM信號調光有以下3種方式。

1） 直接用PWM信號控制

如圖2所示，PWM信號直接驅動LED D2。如果PWM信號來源于芯片端口，由于端口的電流輸出能力較低，一般為幾十毫安左右，在這種情況下，該電路只能驅動小功率的白光LED，如作為車燈的位置燈或內部照明小燈或氛圍燈功能單獨使用。如果該電路中采用中等功率LED，則PWM的信號可以單獨采用線性電路來獲得，在這種情況下，由于線性電路的PWM波形輸出精度不高，會導致LED亮度的穩定性差，而且會發生顏色偏移的問題。

圖2 PWM信號直接驅動LED

2） 通過晶體管（或MOS管） 進行控制

圖3 采用MOS管驅動LED

與上述直接與LED連接PWM信號的電路對比，采用MOS管作為開關管來調節LED亮度的方式運用范圍更廣。如圖3所示，在電路設計中，一般MOS管布置在LED的負極，LED正極由一個穩定電源來供電。在電路工作中，只需要在MOS管的柵極提供較為微弱的PWM控制信號，就可以通過開閉MOS的漏極和源極來點亮或關閉LED。由于電源VCC可以直接給LED供電，因此該電路可以實現中大功率白光LED驅動。在調光實現方面，除了輸入不同占空比實現LED調光外，調節電阻R1也可以進行亮度調節，這種方式一般運用在多串LED電路的電流調節以保證各串LED亮度一致［6］。該電路中，PWM信號可以來自外界環境（如環境照度的變化實現車燈亮度的調節） 或者與提供PWM信號的DC-DC開關電源或線性電源同時使用，用PWM的精度來保證LED顏色以及亮度穩定性。

3） 利用微控制器（MCU） 產生PWM信號調光

如圖4所示，該電路由DC-DC開關電源或微控制芯片來直接實現白光LED的亮度調節。芯片與LED之間有多種連接方式，既可以由一個輸出通道實現所有LED控制，也可以每一個通道實現一串LED控制（對于多串LED拓撲結構）。LED調節器在整個電路中起著功率補償作用，確保LED驅動器與LED調節器之間的電壓剛好達到LED所需的工作電壓。在電路中，白光LED的平均電流ILED可以按照下面的公式來計算：

圖4 采用微控制器來驅動LED

式中：ILED（max）——開關電源的最大輸出電流；SDUTY——脈沖信號的占空比。

這種方式是目前LED調光較為常見的方式。LED驅動在電路中，既作為電源供電，又用于LED調光。采用這種方式實現調光，一般外圍電路較為復雜，電磁兼容性能實現難度較高。

5 白光LED驅動設計實例

5.1 整體設計要求及思路

本項目中，需要實現日間行車燈、位置燈以及轉向燈三功能。從功率分配來看，在滿足法規的前提下，3個功能的功率消耗分別是：日間行車燈8W，位置燈2W，轉向燈7W。其中位置燈和日間行車燈采用單光源雙功能的實現模式，即采用PWM調光技術，既保證亮度的穩定性，同時也保證所輸出的白光滿足5500±100K的色度要求。考慮到散熱和設計（造型，空間） 的便利性，將LED驅動板與LED電路板分開設計。驅動板主要用于LED電源的供給、PWM產生和控制、耐熱、電磁兼容等方面性能的保證。LED電路板采用獨特的拓撲結構滿足發光的法規和造型的需求。圖5為位置燈/日間行車燈原理框圖。

圖5 位置燈/日間行車燈原理框圖

5.2 LED芯片的選型

為滿足上述要求，選用MCP19114/5芯片來實現，該芯片是一個數字增強型電源模擬同步下橋臂PWM控制器，具有升壓、降壓、升降壓、SEPIC等多種拓撲模式。內部時鐘可以達到8MHz，PWM能保證±1%的精度。另外，該芯片具有完備的電路熱保護功能，且在-40～125℃的汽車級使用工況環境溫度下，滿足轉向燈、位置燈和日間行車燈溫度工況范圍，因此，MCP19114/5是一款基本能滿足本項目設計要求的控制芯片。

5.3 電路設計及工作原理

LED驅動是整個電路控制的核心部分。在本項目中，LED驅動的主要功能包括：與車身電壓信號的匹配，3個功能的邏輯實現，PWM信號及輸出，熱保護的邏輯控制，電磁兼容性能實現等。為防止芯片處于過溫狀態，電路可以實現150℃溫熱關斷。當結溫達到該閾值時，器件禁止輸出驅動器。在關斷模式下，芯片引腳PDRV和SDRV均禁止輸出，且芯片中PIR2寄存器中的過溫標志位 （OTIF） 置1。當結溫降低20℃到130℃時，MCP19114/5可恢復正常輸出驅動開關。原理圖如圖6所示。

圖6 原理圖

5.3.1 電源拓撲結構的選擇

MCP19114/5可配置為升壓或SEPIC開關模式電源（Switch-ModePower Supply，SMPS） 模式。在升壓模式下，可采用非同步固定頻率或非同步準諧振控制。在該項目中，由于造型的需求，日間行車燈/位置燈電路板必須設計成狹長的結構，因此，將8顆1W的LED設計成2串LED結構。由于每顆LED的驅動電壓為4V，則整個LED串的電壓至少為16V，由于車身端的輸出電壓一般為穩定的13.2V，因此LED驅動板必須采用升壓拓撲結構，以滿足LED電路板的電壓使用需求。LED驅動采用升壓拓撲結構來滿足2串LED的輸入要求。

5.3.2 PWM占空比的確定

當MCP19114/5的開關頻率不是由DESAT比較器輸出控制時，則由單邊沿8MHz內部時鐘產生。通過配置PR2寄存器設置MCP19114/5開關頻率。驅動允許的最大占空比可進行調節并由PWMRL寄存器控制。開關頻率的可編程范圍為31.25kHz～2MHz。低于2MHz的可用開關頻率定義為FSW=8MHz/N，其中N為整數 （4≤N≤256）。PWM的占空比由輸入給PWMRL的寄存器確定的，一般采用如下公式來計算：

其中，PWMRL位可以隨時寫入，但在PR2與TMR2之間發生匹配后，占空比會鎖存到PWMRH中。

5.3.3 PWM的控制邏輯

PWM控制邏輯實現了標準的比較器模塊，可識別輸入欠壓、輸入過壓和退飽和檢測之類的故障。控制邏輯在硬件上執行操作來適當使能/禁止輸出驅動（PDRV/SDRV），以及設置由軟件讀取的相應中斷標志位。

由于該芯片是具有數字外設的模擬控制器，相關配置只需要設置相關的寄存器即可。故在此不一一詳述。

6 LED驅動樣件研制及測試

1） LED驅動樣件研制

在綜合分析設計要求后，對LED驅動設定相關參數后，對LED驅動的電路進行了研究，并制作了如圖7所示的電路樣件。電路板采用雙層布線，對元器件布線后進行了模擬仿真，并在LED驅動電路板外部增加了防護罩，增加抗電磁干擾等級。

圖7 LED驅動樣件

2） PWM設定頻率的調試

在正常的通電情況下，測試日間行車燈工作時輸出端的工作頻率，測試結果顯示輸出引腳約為300kHz的信號，與設定結果相符。如圖8所示。

圖8 PWM的頻率調試

3） 在不同溫度和電壓下的電流測試

根據測試條件，測試了在-40℃，23℃，85℃下，輸入電壓分別為9V，12V，14V，16V下的三溫度/四電壓下的電流，發現所有LED電流值均維持在300mA左右，且LED沒有發生閃爍或熄滅問題，說明恒流輸出性能滿足要求。

4） 電磁兼容性能的測試

基于PSA集團技術規范B21 7110的法規要求，完成了30多個電磁輻射、電磁耐受、靜電排放、電器特性等方面的實驗。從試驗結果來看，整個過程中無LED閃爍、異常熄滅等方面的問題，說明電磁兼容方面的性能基本滿足要求。

7 結語

本項目設計了基于MCP19114/5芯片的汽車日間行車燈/位置燈/轉向燈中等功率白色LED串驅動電路，并制作了電路樣件。測試結果表明，該LED驅動硬件部分運行正常，在汽車級輸入電壓9～16V及工況溫度下，輸出給LED的電流穩定。耐熱性能和電磁兼容性能滿足測試要求。相比于其他同類產品，本項目的驅動電路具有恒流精度高、拓撲模式多、輸出電流穩定、散熱性能和電磁兼容性能好等特點。該產品的研制工作將為汽車中等功率的LED驅動（轉向燈、制動燈、倒車燈等） 的電路設計具有一定的借鑒意義。