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如何实现汽车尾灯的LED驱动器设计？有哪些设计方案

时间：2023-10-17 15:00:01

关键字：汽车尾灯LED 驱动器

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[导读]在汽车或汽车中，LED已发展成为照明的首选。无论是后尾灯还是仪表盘中的指示灯，如下图 1 所示，如今都集成了LED。其紧凑的尺寸有助于设计的多功能性，并提供与车辆预期寿命本身一样耐用的期望。

在汽车或汽车中，LED已发展成为照明的首选。无论是后尾灯还是仪表盘中的指示灯，如下图 1 所示，如今都集成了LED。其紧凑的尺寸有助于设计的多功能性，并提供与车辆预期寿命本身一样耐用的期望。

LED实际上是一个P型N型(PN)结二极管，它允许电流仅在一个方向上通过它。一旦 LED 两端的电压达到最小正向电压(VF)，电流就开始流动。

LED的照明水平或亮度由正向电流(IF)决定;而 LED 消耗的电流取决于施加在 LED 上的电压。

尽管LED亮度和正向电流IF是线性相关的，但即使LED两端的正向电压VF略有增加，也会引发LED电流摄入的快速增加。

具有不同颜色规格的 LED 由于其特定的半导体成分而具有不同的 VF 和 IF 规格(图2)。有必要考虑每个LED的数据表规格，特别是在单个电路中应用不同颜色的LED时。

例如，当使用红绿蓝 (RGB) 照明进行开发时，红色 LED 的正向电压额定值可能约为 2 V，而蓝色和绿色 LED 的额定电压可能在 3 至 4 V左右。

考虑到您采用单个公共电源操作这些 LED，您可能需要为每个彩色 LED 配备一个计算良好的限流电阻，以避免 LED 劣化。

热效率和功率效率

除了电源电压和电流参数外，温度和功率效率同样需要仔细分析。虽然，施加在LED上的大部分电流被转换为LED光，但少量功率在器件的PN结内转化为热量。

LED结上产生的温度可能会受到一些外部参数的严重影响，例如：

通过大气温度(TA)，

通过LED结和环境空气之间的热阻(RθJA)，

以及功耗 (PD)。

以下公式1揭示了LED的功耗规格PD：

PD =VF × IF ------------方程 #1

借助上述方法，我们可以进一步推导出以下计算LED结温(TJ)的方程：

TJ = TA + RθJA × PD ---------- 方程 #2

不仅在正常工作条件下，而且在设计的绝对最高环境温度TA下，对于最坏情况的关注，确定TJ至关重要。

随着LED结温TJ的升高，其工作效率下降。LED 的正向电流 IF 和结温 TJ 必须保持在数据手册分类的绝对最大额定值以下，以防止损坏(图

3)。

除了LED，您还应考虑电阻和驱动元件(如BJT和运算放大器)的功率效率，特别是随着分立元件数量的增加。

驱动器级的电源效率不足、LED导通时间和/或环境温度所有这些因素都可能导致器件温度升高，影响BJT驱动器的电流输出，并降低LED的VF降。

随着温度的升高降低LED的正向压降，LED的电流消耗率上升;导致功率耗散PD和温度成比例增加，这导致LED的正向压降VF进一步降低。

这种温度持续上升的循环，也称为“热失控”，迫使LED在最佳工作温度以上工作，导致快速退化，并在某个时候器件发生故障，因为中频消耗水平增加。

线性 LED 驱动器

通过晶体管或IC线性操作LED实际上非常方便。在所有可能性中，控制LED的最简单方法通常是将其直接连接到电源电压源(VS)。

使用合适的限流电阻可限制器件的电流消耗，并固定LED的精确压降。以下公式3可用于计算串联电阻(RS)值：

借助上述方法，我们可以进一步推导出以下计算LED结温(TJ)的方程：

TJ = TA + RθJA × PD ---------- 方程 #2

不仅在正常工作条件下，而且在设计的绝对最高环境温度TA下，对于最坏情况的关注，确定TJ至关重要。

随着LED结温TJ的升高，其工作效率下降。LED 的正向电流 IF 和结温 TJ 必须保持在数据手册分类的绝对最大额定值以下，以防止损坏(图

3)。

除了LED，您还应考虑电阻和驱动元件(如BJT和运算放大器)的功率效率，特别是随着分立元件数量的增加。

驱动器级的电源效率不足、LED导通时间和/或环境温度所有这些因素都可能导致器件温度升高，影响BJT驱动器的电流输出，并降低LED的VF降。

随着温度的升高降低LED的正向压降，LED的电流消耗率上升;导致功率耗散PD和温度成比例增加，这导致LED的正向压降VF进一步降低。

线性 LED 驱动器

通过晶体管或IC线性操作LED实际上非常方便。在所有可能性中，控制LED的最简单方法通常是将其直接连接到电源电压源(VS)。

使用合适的限流电阻可限制器件的电流消耗，并固定LED的精确压降。以下公式3可用于计算串联电阻(RS)值：

RS = VS - VF / IF ---------- 等式 #3

参考图 #4，我们看到 3 个 LED 串联使用，VF 计算应考虑 3 个 LED 上的整个压降 VF(LED 的正向电流 IF 保持不变)。

虽然这可能是最简单的LED驱动器配置，但在实际实现中可能非常不切实际。

电源，尤其是汽车电池，容易受到电压波动的影响。

电源输入的微小增加会触发LED消耗更多的电流，从而被破坏。

此外，电阻中过大的功率耗散PD会增加器件温度，从而导致热失控。

面向汽车应用的分立式恒流LED驱动器

当使用恒流功能时，它可确保增强的节能和可靠的布局。由于最普遍的LED操作技术是通过开和关开关，因此晶体管可实现良好调节的电流供应。

参考上面的图5，根据LED配置的电压和电流规格，可以选择BJT或MOSFET。与电阻器相比，晶体管易于处理更大的功率，但容易受到电压上下和温度变化的影响。例如，当BJT周围的电压上升时，其电流也会成比例增加。

为了保证额外的稳定性，可以定制这些BJT或MOSFET电路，以提供恒定电流，尽管电源电压不平衡。

设计 LED 电流源

图6至图8展示了一些电流源电路图示。

在图6中，齐纳二极管在晶体管基极产生稳定的输出电压。

LED是一种高效环保的新型半导体光源，有其它光源无法比拟的优势。在未来汽车照明应用中前景光明。LED 可以用串联、并联等不同的方式组合成LED 阵列，以满足汽车照明强度的要求。针对LED 的发光特性，重点讨论了LED 驱动的设计及特点，同时简述了LED 目前存在的问题及解决方法。

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。

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。

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。

汽车的LED尾灯，是如何做的呢?

在开车转弯的时候，我们都会开启左转向灯或者是右转向灯，它会一闪一闪地发光。对于这样的一个功能，如果是研发工程师，怎么把它开发出来呢?

开发电路，一般有两个思路。

思路一是采用分立的元器件搭建，比如电阻、电感、二极管、三极管，MOS管、继电器、光耦、可控硅等等。

思路二是采用某一特定功能的芯片，用芯片的功能来实现我们想要的电路。

对于汽车的LED尾灯，它对电路的安全性和稳定性要求是非常严格的，基本上至少是要达到PPM级别。所以对于这样的一个电路，芯片哥的建议是采用专用的芯片来实现。

L99LDLH32芯片