浅谈LED在汽车中的应用及其驱动电路的设计

admin

LED是发光二极管（Light Emitting Diode）的简称，是一种能够将电能转化为可见光的半导体，发光效率可达80%至90%.这种半导体组件自开发以来一般是作为指示灯使用。随着科学技术的发展，LED对照明领域产生了深刻的影响，被誉为继白炽灯、荧光灯、气体放电灯之后的第4代照明光源。20世纪80年代中期，LED开始应用于汽车中央高位制动灯。20世纪90年代，汽车仪表LCD面板背光照明普遍采用LED这种固态新光源。
       
        进入新世纪后，LED光源技术有了更快的发展，涂敷荧光粉工艺制作成的大功率白光LED的光效已达到100lm/W.随着输出光通量不断提高，LED在汽车照明中的推广应用有了更大的发展空间。
       
        1汽车车灯作用及要求
       
        目前，汽车日趋平民化，已成为主要交通工具，行车安全引起了社会广泛的关注。据不完全统计，汽车在夜晚或自然光线不足的情况下行驶的里程占总行驶里程的25%，而在此间发生的交通事故占到总事故的40%，并且一半以上的伤亡事故发生在夜间。因此，车外照明灯及信号灯是汽车安全行驶的关键部件，必须满足下列条件：
       
        （1）汽车照明灯点亮无延迟，响应时间更快，给驾驶员更多的反应时间。
       
        （2）照明亮度强，在夜间或自然光线不足的情况下提高驾驶员的视野，同时使车外信号灯的指示作用更强。
       
        （3）高耐震，工作可靠性高，避免因照明故障引起的意外事故。
       
        （4）节能，能够有效减少废气的排放量，保护环境。
       
        （5）基于汽车销售竞争日益激烈，车灯设计要实用和美观。
       
        2 LED成为汽车照明选材中的新星
       
        2.1 LED的工作原理
       
        LED是特殊的二极管，是一种通过掺杂等手段形成PN结的半导体器件。当满足二极管导通条件时，电流流过LED，以光和热的形式释放出能量。LED是电流控制的电流型元件，其发光强度主要依据通过的电流大小，正向导通时，其压降非常高，而且本身具有一定的波动范围。
       
        由于LED没有红外线及紫外线的辐射，其消耗的能量除转换为光能外，几乎都是热能，且只能以热传导的形式传出，因此，LED在工作时，结温会逐渐升高。而LED是具有负温度系数的器件，流过LED的电流会随温度升高而增大，这就形成了正反馈，造成结温的进一步升高，如不加控制，就会烧毁LED.LED的热学参数与PN结的结温有很大关系，主波长与温度的关系如下式：
       
        mp（Tl）= m0（T0）+ 3Tg #0.1nm/°C
       
        由上式可知，每当LED结温升高10℃时，主波长（人眼能够观察到的）就会向长波漂移1nm（1nm=10-9m），导致LED亮度下降，出现光衰。因此，个别LED过热，就会造成LED阵列发光的均匀性变差。
       
        2.2 LED显着的照明优势
       
        LED被称为新光源，原因在于LED具备点光源与固态光源的特性，因此具有其它照明光源无法比拟的优点。
       
        （1）LED寿命理论上可达10万小时，实际寿命也可达到2万小时以上，比一般白炙灯泡的1 000小时、日光灯具的1万小时更具优势，在汽车使用寿命期间一般无须更换。
       
        （2）点亮无延迟，响应时间更快。LED的启动时间仅为几十纳秒，启动时间较白炽灯泡大大缩短。
       
        （3）在光线亮度高、自然光线可见度低的情况下，大大降低汽车事故发生率；基本上无辐射，属于“绿色光源”。
       
        （4）LED占用体积小，结构简单，高耐震，设计者可以随意变换灯具模式，令汽车造型多样化，满足不同消费者需求。
       
        （5）LED光源受电压变化的影响远远小于白炽灯泡，显示了卓越的安全性和可靠性，同时消耗的能量较同光效的白炽灯减少80%，非常节能。
       
        基于上述优势，LED可以在汽车照明中广泛应用，但单个LED无法满足汽车照明强度的要求，必须多个串联、并联或串并联成LED阵列使用，如图1所示。

       
       
        图1 LED组合成的照明光源

         
        2.3 LED驱动的设计及特点
       
        LED驱动方式可采用电阻限流、线性稳压器和开关型变换器3类。电阻限流方案适用于效率低的应用场合，所以对效率要求极高，输入电压范围宽的汽车照明上不采用此方法；线性稳压器适应于低电流或LED正向压降稍低于电源电压的场合，但同样存在效率和输入电压范围小的问题；开关型变换器具有电路拓扑灵活、效率高和输入电压宽的特性。因此，综合考虑工作效率、安装尺寸、静态电流、工作电压、噪声和输出调节等因素后，驱动电路多采用开关型变换器。开关变换器拓扑结构分为Buck、Boost及Buck-Boos等方式。目前来看，LED应用在汽车照明上，其驱动电源必然是铅酸蓄电池。
       
        因为蓄电池的输入电压范围会与正常的范围有很大的出入，因此驱动电路一般用Buck-Boost拓扑结构满足LED阵列对电压要求。此电路拓扑结构直流增益（输出电压与输入电压之比）与占空比D（一个开关周期内，开通时间与周期的比值）有关。当电池电压低于LED所需电压时，调节D＞0.5，使电路处于升压状态；当电池电压高于LED所需电压时，调节D＜0.5，使电路处于降压状态。LED是电流控制的电流型元件，亮度与流过的电流成正比。如果LED不是恒流驱动，通过的电流波动时，即使电压恒定也会造成LED的亮度变化。为保证亮度稳定可靠，LED需要恒定的电流来驱动，而且还需要在任何情况下都能将纹波电流控制在可接受的水平。所以，LED驱动电路的输出必须是恒流输出而非恒压输出。
       
        可以设计LED驱动电路原理图如图2所示。

       
       
        图2 LED驱动原理图

         
        图2可知，Buck-Boost电路将蓄电池电能变换后对LED阵列供电，采样电路对流过LED的电流采样，将信号传到控制电路。控制电路分析采样信息，调节Buck-Boost电路中开关管的占空比，保证通过LED电流恒定；当电路出现异常时，通过控制保护电路切断电源，保证LED不受损害。一般情况下，LED驱动电路必须满足下列要求：
       
        （1）升降压功能。当输入电压或LED本身压降波动时，调节输出电压，满足输出电流恒定的要求，保证LED发光稳定可靠。
       
        （2）高功率转换效率。以降低驱动损耗，节省成本，同时减少蓄电池充电次数，延长电池使用寿命。
       
        （3）亮度调节功能。周围环境很暗时，信号灯往往不需最大电流驱动，此时可控制驱动电流而改变LED的亮度，进而降低LED的耗电量。调节驱动电流常用的方法是利用PWM信号控制。
       
        （4）具有完善的保护电路。应设置各种保护措施，用以保护自身和LED可靠工作。例如，低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或短路保护等。
       
        （5）良好的散热功能。由LED的热学特性可知，温度是影响LED工作的重要因素之一。在夜晚行车时，LED处于长时间点亮状态，因此，必须有良好的散热功能，保证LED的寿命及工作可靠。
       
        3 LED的缺陷及解决方法
       
        3.1不一致性带来的问题
       
        理论上LED都是发光二极管，但是由于材料的纯度、工艺和封装的差异（即使是同一厂家也难避免），实际LED阵列中单个LED的性能是有差异的。这将导致LED的发光强度与驱动电流不完全相同，耐过电流能力和发热的差异也就自然而然的不同了。因为LED的差异总有一个最先损坏，会使电流增大而损坏其他的LED.这就是不一致性带的结果，也是制约其发展的因素之一。因此，制造商应提高LED质量，避免较大差异，同时设计驱动电路时应设计相应的保护电路，防止上述现象发生。
       
        3.2驱动电路复杂的问题
       
        首先，在电压匹配方面，LED不像普通白炽灯泡，可以直接连接220V的交流市电。LED是3.6～4.5V的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路。其次，在驱动电流方面，为了保证LED正常工作，要恒流、恒压电路供电，另加保护电路。这样电源电路复杂性和故障率都将升高，从而大大地限制了市场的竞争力与购买群体。
       
        因此，设计时尽量采用专用驱动芯片，以简化驱动电路结构，增强系统工作的稳定性。例如，FAN5608系列、CAT4201、LT3754等芯片，在LED驱动方面效果良好。
       
        3.3 LED的成本问题
       
        一部车若把照明全部换成LED，内、外部大约各需用掉200～300颗LED，和其他照明光源相比，成本显得相当高。尽管寿命长的优势能弥补其成本高昂的劣势，但是从总体上来看，其成本仍大大高于其他光源。这是目前LED性能突出但没有占据大量市场份额的主要原因。
       
        但是各国政府对LED技术十分重视，每年投入大量资金进行研究，相信这个问题在不远的将来必会圆满解决。
       
        4结束语
       
        由于LED成本较高，驱动技术比较复杂，现在还没有全面广泛地进入汽车市场。我国已经规定，凡是上高速公路的汽车必须装设LED雾灯。未来，随着LED价格逐渐下降，其车灯模块必将逐步使用高亮度LED作为光源。自从奥迪第一款加装LED前灯的车型R8上市以来，国际上如凯迪拉克、宝马、丰田、奔驰和福特等知名汽车公司都纷纷推出配有五彩缤纷的LED灯具的新款轿车以吸引顾客。随着汽车工业的不断发展，LED必将在未来几年内广泛应用在汽车市场。整体看，汽车用灯LED化是车灯发展的一个大趋势，必将是汽车照明系统发展史上的一次飞跃。