如何实现汽车电子中LED照明电源的设计？

自上世纪90 年代白色LED 的出现开始,其亮度增大趋势是如此之快,以至于我们都把它们视为21世纪的光源。现在我们使用白色LED 作为汽车前照灯的光源,这样它们的优越性就可以得到充分的展示。这种新系统比通常使用的卤钨灯要明亮,与HID头灯的亮度差不多。但是考虑到LED 光源特有的优越性,比如重量轻、安装深度小、耗能低、寿命更长、没有环境污染等,它们的确更适合作为下一代汽车前照灯系统的光源。此外,白色LED 的使用还可以使整个车的设计变得更加灵活。现在我们正在进行白光LED 汽车前照灯的研发工作,以充分展示它们的优越性。

1 　白光LED 的现状

1.1 　白光LED 的原理

白光LED 有几种不同的工作原理,表1 展示了3种典型的原理。表la 中的“蓝光LED + $荧光粉”

型是是白光LED 发展的最高水平,它最有可能被用在第一代LED 汽车前照灯系统中。表1b 中的“紫外线LED + 红绿蓝三色荧光粉”型因其高的显色指数而最有潜力作为通常的照明系统用灯,但作为前照灯系统使用时还应研究如何克服紫外光对塑料的老化作用。表1c 中的“红绿蓝三芯片”型有改变发光颜色的性能,但它目前仍然不能在前照灯系统中使用,因为很难克服它在使用过程中颜色的改变,这种颜色改变可能来自3 种芯片温度特性的不同,也可能来自不同LED 的损耗退化速度。

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。

图 #2

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)。

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)。

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：

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)。

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。