汽车仪表背光灯的恒流源电路设计*

李 静,蔡祥宝，陶志阔

(南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210003)

汽车仪表背光灯的恒流源电路设计*

李 静,蔡祥宝，陶志阔

(南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210003)

汽车仪表LED背光灯的电源电路在高压脉冲下会使电流不稳定，从而导致背光灯亮度有所变化。为了解决该问题，基于低功耗双运算放大器LM2904，设计了一种汽车仪表背光灯恒流源电路，并且对该恒流源电路部分参数进行了仿真测试。结果表明该方案精度高、稳定性强、成本低，具有一定的应用参考价值。

汽车仪表；LED背光灯；LM2904; 恒流源电路

0 引言

随着科技的飞速发展，LED作为一种新型的节能、安全、环保光源，具有体积小、耗电低、亮度高、 寿命长等传统光源不及的特点，广泛应用在汽车仪表的背光灯中[1-2]。由LED伏安特性曲线可知,LED光源的发光强度主要取决于流过它的电流，轻微的电流变化便会导致LED亮度的变化，因此其对电源的稳定性要求极高[3-4]。

为了研究车载发电机电源在高压脉冲下对汽车仪表LED背光灯亮度变化的影响，本文在ISO 7637-2 :2004 《道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰》测试标准下，通过对汽车仪表LED背光灯车载系统环境的现实模拟，重现了车载发电机在高压脉冲下导致汽车仪表LED背光灯亮度变化的场景[5]。为了改善这种不稳定的情况，本文提出了一种基于低功耗双运算放大器LM2904和三极管设计的恒流源电路，并通过电路仿真对相关参数进行测试。测试结果验证了该方案具有精度高、稳定性强、成本较低等优点，因此具有一定的可行性[6]。

1 ISO 7637标准实验及结果分析

ISO 7637-2 :2004 《道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰》标准定义了车载电气设备上的电源电压为12 V和24 V时电源线上的电瞬变传导骚扰的发射和抗扰度性能测试标准。同时该标准根据车载电子设备的实际应用物理环境，规定了相应的测试波形，从而可以再现实际车载电器系统电源环境的极端状态，系统的抗电源传导瞬变骚扰能力提供了相应的评价标准，具有很强的实践指导意义[7]。因此，首先根据该国际测试标准模拟车载电源对汽车仪表LED背光灯的影响。

DUT(被测装置)瞬态抗扰度的实验采用试验脉冲发生器的方法，典型测试脉冲5用来模拟交流发电机给蓄电池充电过程中，蓄电池突然断开时对回路中其他电子设备产生的突升脉冲，这一卸载脉冲的幅值和强度主要取决于断开时交流发电机的速度和励磁电流。脉冲5有脉冲5a和脉冲5b两种，其中脉冲5b是经限幅二极管箝位的脉冲。脉冲5不仅考核了电源对电子设备的抗干扰能力，而且考核了对设备元器件的破坏性。脉冲5a波形如图1所示，其对应波形参数如表1所示。脉冲5b的波形如图2所示，其对应波形参数如表2所示[7]。

图1 测试脉冲5a

根据ISO 7637-2:2004国际标准要求，对汽车仪表LED背光灯开展脉冲5b实验。LED背光灯与车身电池KL30连接，当车身电池KL30的电压发生变化时，流过LED背光灯的电流也会相应发生变化。所以当车身电压抑制管最高输出电压在36.8 V左右时，持续时间TD在40～400 ms之间，所产生的试验脉冲如图3所示，流过LED背光灯的电流变大，从而导致汽车仪表 LED背光灯变亮。为了改善此种情况，需要对流过LED灯的电流加以限制，因此必须提高车载电源的稳定性[8]。

表1 测试脉冲5a

图2 测试脉冲5b

参数12V系统24V系统Us/V65～87123～174Uts由客户规定td与未抑制的值相同

图3 测试脉冲5b波形图

目前针对汽车仪表背光灯变亮问题已存在一些整改方案。比如，电源端增加瞬态抑制二极管TVS。TVS是普遍使用的一种新型高效电路保护器件，它具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时，TVS能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，从而把它的两端电压箝制在一个预定的数值上，进而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。若对仪表进行24 V过压实验，当仪表有高压脉冲信号时，该TVS二极管只能将脉冲信号钳位到24 V，仪表背光灯若挂在36.8 V上仍会变亮，所以此方案只能起到一定的抑制作用。

对此，本文设计了一种恒流源电路对上述现象进行改进，其核心部件采用低功耗双运算放大器LM2904和三极管组成。LM2904是一个双路通用运算放大器，可以采用两路恒流源处理，供给仪表不同器件的背光灯使用，根据汽车仪表背光灯的电流来选取不同阻值的电阻， 从而限制该路总电流，起到恒流作用[9-10]。

2 LED背光恒流源电路设计

2.1 恒流源系统设计框图

本文设计的汽车仪表LED背光恒流源电路系统的组成框图如图4所示。它主要由输入时钟脉冲信号Vclock、低功耗双运算放大器LM2904、三极管Q、LED背光灯、车身电池KL30、电阻R等组成。首先给核心部件运放LM2904正向输入极提供幅度为5 V的脉冲信号Vclock，经电阻分压后可得运放正极电压，由于运放在理想状态下，根据“虚短”和“虚断”可得运放负极电压以及与负极相连的三极管发射极的电压。又由于该三极管发射极电压是固定的，从而根据与发射极相连的电阻来确定经三极管导通的电流是恒定的，该电流的大小由外接电阻的大小决定，因此该路提供恒定电流驱动LED负载，从而改善LED背光灯因车身电压变化而突变的现象[7-8]。

图4 LED背光恒流源电路系统组成框图

2.2 LM2904运放的选取

运算放大器LM2904作为恒流源电路的核心部分，其内部包括两个独立的低功耗双运算放大器LM2904YPTA和LM2904YPTB，为8脚双列扁平式塑料封装。具有内部带有频率补偿、直流电压增益高、单位增益频带宽、功耗电流低等特点，适用于电源电压范围较宽的单电源或双电源。目前该运放在汽车及工业控制系统中得到了广泛的应用，其引脚图如图5所示。

图5 LM2904引脚图

2.3 恒流源电路设计

本文设计的恒流源电路，其输出电流是恒定的。电路中的运算放大器采用了带负反馈的理想运放LM2904；发光二极管diode的导通压降为6 V(此处模拟了LCD屏内部背光灯的压降)；电阻的精度为0.1% ，阻值是：R1、R4、R6为10 kΩ，R2、R7、R8为1 kΩ，R3、R5为6.8 Ω；选取车身电压KL30A为12.8 V(KL30A是KL30通过一个保护二极管得到的电压)。恒流源的电路原理图如图6所示。

图6 恒流源电路原理图

在该图中，BL_PWM为单片机MCU的输出信号，信号波形为固定占空比的脉冲信号，信号幅值Vclock为5 V。当BL_PWM为高电压5 V时，R2与R1进行分压，运放LM2904YPTA的正极电压为：

(1)

式中：V(n_2)为运算放大器LM2904YPTA正极电压；Vclock为输入脉冲信号；R1、R2为分压电阻。由于运放在理想状态下，根据“虚断”可知，运放正极I+和负极I-电流约为零，故R4上无电流流过，从而R4上无压降。所以电阻R3端的电压V(n_4)等于运放反向输入端的电压V(n_3)，即：

I+=I-≈0→V(R4)=0→V(n_4)=V(n_3)

(2)

式中：I+、I-分别为运放的正负极电流；V(R4)为电阻R4两端电压；V(n_4)为电阻R3端电压；V(n_3)为运放负极电压。再根据“虚短”可知：运放正极电压V(n_2)等于运放负极电压V(n_3)，从而电阻R3端的电压V(n_4)等于运放正极电压V(n_2)，即：

V+=V-→V(n_2)=V(n_3)=V(n_4)≈0.45 V

(3)

由于R3阻值为6.8 Ω，故流过R3的电流I(R3)为：

(4)

式中：I(R3)为流过电阻R3的电流。又由于三极管Q1发射极的电压是固定的，故此时通过三极管Q1电流I(Q1)为恒定值，约为66.8 mA。同时三极管Q1是一个基极电流控制的电路，故电阻R7上存在一定的电流，V(n_7)与V(n_8)之间存在一定的压差。因此：

当Q1导通时：

V(n_11)=V(KL30A)-V(diode)=12.8 V-6 V=6.8 V

(5)

式中：V(n_11)为三极管集电极电压；V(KL30A)为车身电压；V(diode)为二极管导通压降。

当Q1截断时：

V(n_11)=V(KL30A)=12.8 V

(6)

图7 LED连接电路图

由于LM2904YPTA和LM2904YPTB是同一款芯片LM2904，此芯片内有8个pin脚且内部集成了两个运放。为了便于理解，在图6中将两个运放均画出，分别为LM2904YPTA和LM2904YPTB。LM2904YPTB的工作原理与LM2904YPTA的工作原理一样，故流过Q2的电流I(Q2)也约为66.8 mA。因此两路电路n_11和n_12的电流均为66.8 mA。由于这两路电路外部是接在LED灯上的，故流过LED灯的电流为恒定值66.8 mA。

根据该恒流源电路工作原理以及设定的车身电池电压KL30A，设计LED连接方式如图7所示。即LED1与LED2串联，流过电流约为66.8 mA，LED3和LED4串联，流过的电流也约为66.8 mA。故此电路一般情况下可以点亮4个LED灯(其中KL30A为车身电池电压12.8 V) 。

3 部分参数仿真测试

图8 恒流源部分参数仿真结果

为了对该恒流源电路进行原理验证，需对部分参数进行仿真测试，仿真结果如图8所示。其中图8(a)为5 V的输入脉冲信号Vclock；图8(b)为LM2904YPTA运放正极输入电压V(n_2)，图8(c)为电阻R3端电压V(n_4)，由仿真结果可得R3端电压与运放LM2904YPTA输入端电压相等，约为0.454 5 V；图8(d)为流过R3的电流I(R3)，约为66.8 mA。从图8可知，仿真结果与设计的恒流源工作原理图中的参数保持一致，因此该恒流源电路具有一定的可行性。

4 结论

本文主要阐述了一种用于汽车仪表背光灯的双路通用运算放大器LM2904与三极管组成的恒流源电路的设计方案。通过对恒流源电路部分参数进行仿真测试可以看出，流过LED背光灯的电流是恒定的，且其值可根据外接电阻的大小设定，因此该电流值的精度较高。另外该恒流源电路结构简单，易于实现，成本低，所以具有一定的可行性。从而该方案适用于解决汽车仪表背光灯在高压脉冲下亮度变化的问题。

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Design of constant current source circuit for backlight of automobile instrument

Li Jing，Cai Xiangbao，Tao Zhikuo

(School of Electronic Science and Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

The power circuit for the LED backlight of the automobile instrument can cause the instable current under the high-voltage pulse, which leads to the change of the brightness of the backlight. In order to solve the problem, based on low power consumption dual operational amplifier LM2904, a design of the constant current source for the backlight of automobile instrument is proposed. And the parameters of the constant current source circuit are simulated and tested. The results show that the scheme has the advantages of high precision, high stability, low cost with a certain reference value.

automobile instrument; LED backlight; LM2904; constant current source circuit

国家自然科学基金(61574079)

TN495

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.24.009

李静,蔡祥宝，陶志阔. 汽车仪表背光灯的恒流源电路设计[J].微型机与应用，2016,35(24)：30-33.

2016-06-27)

李静(1990-)，通信作者，女，硕士研究生 ，主要研究方向为：物理电子学。 E-mail:lijing10_lijing@163.com。

蔡祥宝(1957-)，男，硕士，教授，主要研究方向为：光通信与光信息处理。

陶志阔(1981-)，男，博士，副教授，主要研究方向为：半导体材料与器件研究。