汽车LED照明驱动电路的设计

陈天殷

（美国亚派克机电 （杭州）有限公司，浙江 杭州 310013）

随着电子科技的不断创新和飞速发展，加之节能、环保和低碳的呼声日益高涨，汽车传统照明的电光源 （无论是最早的白炽灯，还是20世纪90年代兴起的氙灯等）正为高亮度的发光二极管 （High Bright LED，缩略称为HB LED）所取代。

汽车的车前灯、前后雾灯、第三制动灯、转向灯、尾灯、昼间行驶灯和仪表板背光都采用LED照明。

1 LED的特性曲线

图1显示了发光二极管的输出特性曲线If=f（Uf），即电流与正向压降的关系。

LED的输出特性曲线较陡，作为p－n结类似于传统二极管的U-I特性，但具有较高的结压降。在正向电压达到Uf时，若增加一个小的ΔUf，相应会产生一个较大的正向电流ΔIf。ΔUf增加零点几伏，ΔIf会增加十几到几十毫安，有可能使LED因过流而损坏。因此必须采取阻流措施限制电流剧增。在串、并联LED的结构中，由于其Uf有离散性，必须测量Uf及分选，使各串LED的ΣUf差值最小，各串的内阻相接近，各并联支路的LED均流，电流分配均匀，才不至于某一支路LED因过电流烧毁。

LED光输出强度与其电流和正向压降成正比，并与温度成正比。因此LED需要一个恒定电流来驱动，并需要额外的电路。

2 为高亮度LED提供高效的电流驱动控制

LED灯电源决定了LED灯的使用寿命。散热和光的方向性是LED照明中首要考虑的问题。采用多个小电流的LED串、并联组成阵列的方案可有效解决散热问题，同时改善LED照明中光的方向性；而且目前小电流芯片的光效率要高于大功率LED芯片。

2.1 LED的恒流源驱动方式

恒流源驱动是最佳的LED驱动方式，采用恒流源驱动，不用在输出电路串联限流电阻，LED上流过的电流也不受外界电源电压变化、环境温度变化，以及LED参数离散性的影响，从而能坚持电流恒定，充分发挥LED的各种优异特性。由于在电源工作期间都会自动检测和控制流过LED的电流，因而，采用LED恒流电源来给LED灯具供电，不用担忧在通电的霎时有过高的电流流过LED，也不用顾虑负载短路烧坏电源。

为采取阻流措施限制电流剧增，目前有3种基本的限流方式，表1对这3种方式进行了对比 （对应一个白色LED，Uf=4V，ILED=350mA，UIN=12V）。

图2是用于汽车转向灯的高亮度LED电源原理图。它采用固定频率、高集成度脉宽调制PWM开关转换器MAX5035，输出电流可达1 A。基于电感的buck调节器能够准确控制流过LED（或几个串联LED，总电压为12 V）的电流，MAX5035的开关频率为125 kHz，输入电压高达76 V（须使用更高额定电压的输入电容和二极管）。通过调节控制电压（0～3.9V）， MAX5035LED电流驱动器能够在LED_A和LED_K端产生近似350～0mA的输出电流。

表1 3种限流方案比较

此电路可以在较宽的输入电压范围内控制并保持恒定的LED电流。该电路的设计参数为：最小输入电压7.5V （大多单个LED）， 最大输入电压30V （受D1和C8、 C9限制）， 最大输出电流350mA （Ucontro1=0）， 最大输出电压12V （由MAX5035内部限制，电流350mA），控制电压范围Ucontro1为0V （满电流）至3.9V （全暗）。

控制电压与3个并联检流电阻的电压共同作用到IC的反馈FB引脚。IC的内部控制环路FB引脚的电压大约保持在1.22 V，因此，由于控制电压与电流检测电压都必须保持在1.22 V （由电阻R1和R5设置），更高的控制电压将产生更小的电流。以下的等式可用来设计其输出电流和控制电压

式中：UREF=1.22 V；RSENSE——R2、R3与R5的并联电阻值，为5Ω；Ucontro1——控制电压。

2.2 LED的散热

随着功率的增加，LED的散热问题显得越来越突出。大量实际应用表明，LED不能加大输入功率的基本原因，是由于LED在工作过程中会放出大量的热，使管芯结温迅速上升，热阻变大。输入功率越高，发热效应越大。温度的升高将导致器件性能变化与衰减，非辐射复合增加，器件的漏电流增加，半导体材料缺陷增长，金属电极电迁移，封装用环氧树脂黄化等等，严重影响LED的光电参数，甚至使功率LED失效。因此，对于LED器件，降低热阻与结温、对发光二极管的热特性进行研究显得日趋重要。图3是白光LED有效光辐射随结温的变化关系。

LED的有效光辐射 （发光度／或辐射通量）受其结温的影响甚为显著。单颗LED封装通常被称为一级LED，而多颗LED芯片装配在同一金属基板上的LED通常被称为二级LED。当二级LED对光均匀度要求很高时，结温对LED发光效率产生的影响将十分突出。当然可以用一级LED的电、热、光协同模型来预测二级LED的电学、热学及光学特性，但前提是需要对LED的散热环境进行准确的建模。

2.3 LED的驱动器

LED的IC驱动器的挑战表现在如下3方面：启动重置 （POR）、软启动、过电流及过温保护、LED开路短路保护；产品可靠高效，适应弹性I／O电压，应用方便；符合环保意识及安全规范。

车前灯必需具有至少800流明的光输出量。当前LED已有单只高达400流明的光输出量 （在1 A时）和超过130 1m／W的光输出 （在350 mA时），与传统车前灯相比，采用LED灯效率提高75%以上，也就大大降低每年油耗的水平。一个25 W白光LED车前灯，可以采用由18个串联LED组成的阵列，使350mA电流流过这些LED以产生所需要的光输出。

简单高效驱动这一配置是一项挑战。作为车前灯驱动控制系统的实例，本文介绍选用凌力尔特（Linear Tec.）的LT3956作为主芯片构建的LED驱动系统。该芯片内嵌有一款DC／DC转换器，专为充当一个恒定电流和恒定电压调节器而设计，适合于驱动大电流高亮度的LED。构建效率达94%的25 W白光LED车前灯驱动器电路，其基本结构如图4所示。

该器件具有一个内部低端N沟道功率MOSFET（金属－氧化物－半导体场效应管），此MOSFET的额定规格针对84 V／3.3 A而拟定，并由内部一个已调为7.15V的电源来驱动。固定频率、电流模式架构在一个很宽的电源和输出电压范围内实现稳定的操作。一个参考于搭铁的电压反馈FB引脚用作多个LED保护功能电路的输入，而且还使转换器能够起一个恒定电压源的作用。一个频率调节引脚允许用户在100 kHz～1 MHz的范围内设置频率，旨在优化效率、性能或外部组件尺寸和控制端口。

LT3956在LED串的高端检测输出电流。高端电流检测是用于驱动LED的最灵活方案，允许采用升压－降压模式或降压－升压模式配置。脉宽调制PWM输入提供了高达3000∶1的LED调光比，而调控的CTRL输入则提供了额外的模拟调光能力。

LT3956的转换效率可达到94% （取决于输入电压和工作频率）。高转换效率为车前灯外壳实现简单明了的散热设计方案提供了条件。这款LED驱动器本身并不会对LED本身产生的热量有显著的影响。上例中，LED驱动器的功率损失为1.5W，这些功率被作为热量 ［25 W×（1－0.94）］而耗散掉。 它额外的好处是：同时还降低对空间和质量的要求。

3 带散热监控功能的智能LED照明控制

高效的专用芯片是LED驱动控制的核心。在实际现场使用中，美国国家半导体 （NS）、凌力尔特（Linear Tec.）、 飞思卡尔 （Freesca1e）、 德国英飞凌（Infineneon）、 德州仪器 （TI）和达拉斯半导体（Da11es Semiconductor）等多家知名公司都有相应不同型号的产品可供选用，性能也受到用户的肯定。

为避免频繁更换失效的LED灯或引发火灾等灾难性的后果，散热管理是让LED灯保持长期工作的基本前提，也是整个设计方案中最复杂、要求最严格且成本最高的部分。利用NTC（负温度系数）实施智能控制功能来监视LED灯的温度是行之有效的散热管理办法。

NTC电路的基本原理是通过监控LED灯的温度来提升LED灯的安全性，并降低设计复杂度。当温度升高时，控制器减少流明并借以将LED保持在安全水平之内。换言之，当温度升高时，减少流明；反之，当温度下降时，则增加流明。可通过检测NTC上的电压来检测LED灯的温度变化。检测到的电压与NTC的温度有直接关系，而NTC的电阻会随NTC及其周边电路温度的升高而下降。使用NTC确定温度的方法：可以在系统强制实施已知电压的分压器电路中使用NTC，并随后测量NTC节点上的电压。NTC温度升高时，电阻减小。而电阻减小将导致分压器比的变化。NTC节点的电压也会随温度升高而下降。LED灯温度监控及调节流程图如图5所示。

本文对确保汽车LED照明系统控制的要点和本质，及若干相关的技巧，作了简要介绍，与国内同仁交流，以保证产品的控制工作得以稳步提高，也期待国内同道指正。

［1］陈天殷.汽车电器电磁兼容性及电磁干扰的抑制［J］.汽车电器， 2007， （1）： 57－59.

［2］陈天殷.小功率电机的可靠性研究［J］.机电工程，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.