汽车LED照明驱动电路设计实例.docx
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1、LED汽车照明驱动电路的设计摘要:论文介绍了LED照明驱动电路的设计原理。基于芯片MAX16807和Boost升压电路设计了一款汽车LED照明恒流驱动电路,并详细描述驱动电路的设计过程。电路采用通用的集成芯片,结构简单,完成了一个高性能的车用LED恒流驱动电路,具有闪光频率稳定、恒流输出、电流精度高、动态响应快、纹波小、噪声低以及LED开路检测和保护功能,可应用于汽车高亮度LED照明系统中。目 录引言3一、LED与驱动器的匹配3(一)基本配置3(二)LED采用全部串联方式3(三)LED采用全部并联方式51、驱动VF匹配的LED62、驱动VF未匹配的LED63、LED采用混联方式6二、LED驱动
2、电路的解决方案8(一)电阻限流电路8(二)线性调节器9(三)开关调节器10三、基于MAX16807的汽车LED驱动电路设计11参考文献17引言纵观整个汽车的发展历史,汽车照明技术始终扮演着重要角色。起初,汽车仅需要前照灯,以便在黑暗中行驶时看清道路。在车辆日益增多、车速不断提高的形势下,汽车照明仅是瞻前已经不够,还需左顾右盼和免除后顾之忧,为了安全以及更好地协调不断增长的交通流量,汽车又增加了各种照明、信号灯具,如尾灯、行车灯、刹车灯、转向灯、后雾灯等.警示灯和雾灯是在极端的情况下提供特殊功能,为避免夜晚行车的追尾或转弯时的相撞起了关键性作用。在汽车照明技术的发展中,随着汽车行驶的需求不断提升
3、,汽车前照灯又发展成近光灯、远光灯、前雾灯等多种灯种。而汽车内部照明灯具,如仪表板、顶灯、地图灯、开门灯等为驾驶员和乘客提供了便利。一、LED与驱动器的匹配LED已经广泛应用于照明、装饰类灯产品,在设计LED照明系统时,需要考虑选用什么样的LED驱动器,以及LED作为负载采用的串并联方式,合理的配合设计,才能保证LED正常工作。LED作为驱动电路的负载,经常需要几十个甚至上百个LED组合在一起构成发光组件,LED负载的连接形式直接关系到其可靠性和使用寿命.设计中选择LED驱动电路时,一般考虑成本和性能因素。系统设计的一个约束条件是可用的电功率和电压,其他约束条件还包括功能特性,例如针对环境光线
4、作出调整.(一)基本配置 最基本的一种拓扑是单个LED.采用这种设计的应用实例有汽车内顶灯(地图灯、阅读灯)等。 (二)LED采用全部串联方式串联方式驱动LED因经过所有LED的驱动电流都是相同的(假设LED被适当的分档),这种配置可以保证颜色和亮度达到最接近的匹配度.在这种情况下,必须注意整个串联串中的输入电压以及它和正向电压降(VF)之间的关系。这将决定驱动LED的功率拓扑,这方面的应用实例包括闪光灯、汽车尾灯、刹车灯等。LED采用全部串联方式如图1所示,即将多个LED的正极对负极连接成串,其优点是通过每个LED的工作电流一样,一般应串入限流电阻R,要求LED驱动器输出较高的电压。当LED
5、的一致性差别较大时,分配在不同的LED两端的电压不同,因通过每只LED的电流相同,所以每只LED的亮度是一致的。图1 LED采用全部串联方式 当某一只LED品质不良短路时,如果采用稳压式驱动(如常用的阻容降压方式,由于驱动器输出电压不变,那么分配在剩余的LED两端的电压将升高,驱动器的输出电流将增大,容易损坏余下的所有LED。如采用恒流式驱动LED,当某一只LED品质不良短路时,由于驱动器输出电流保持不变,不影响余下的所有LED正常工作。 当某一只LED品质不良断开后,串联在一起的LED将全部不亮。解决的办法是在每个LED两端并联一个稳压管,如图2所示。当然稳压管的导通电压需要比LED的导通电
6、压高,否则LED就不亮了。或采用ADDtek的LED保护器A716、AMC7169和A720,额定电流分别是350mA、500mA和700mA。采用ADDtek保护器的电路如图3所示,使用时将其与LED并联。图2 LED两端并联稳压管图3 采用ADDtek保护器的电路串联方式能确保各只LED电流的一致性,如果4个LED串联后总正向电压VF为12V,就必须使用具有升压功能的驱动电路,以便为每个LED提供充足的电压.但由于LED的VF值存在一个变化范围,LED之间的压差会随之变化,对亮度的均匀性有一定的影响。在LED的串联数量方面,流经LED的电流不再受LED串联数量的限制.为了满足不同的发光亮度
7、需求,通过驱动多个LED就可以实现。(三)LED采用全部并联方式在并联设计中,多个LED由具备独立电流的驱动电路来驱动。并联设计基于低驱动电压,因此无需带电感的升压电路。此外,并联设计提供低电磁干扰、低噪声和高效率,且容错性较强.在串联设计中,一个LED发生故障就会导致整个照明子系统失效,而并联设计可避免这种个严重的缺陷。LED采用全部并联方式如图4所示,即将多个LED的正极与正极、负极与负极并联连接,其特点是每个LED的工作电压一样,总电流为Ifm。为了实现每个LED器件之间的特性参数存在一定差别,且LED的正向电压VF随温度上升而下降,不同LED可能因为散热条件差别而引发工作电流IF的差别
8、,散热条件较差的LED温升较大,正向电压VF下降也较大,造成工作电流斥上升,而工作电流斥上升又加剧温升,如此循环可能导致LED烧毁。图4 LED采用全部并联方式 LED采用全部并联方式要求LED驱动器输出较大的电流,负载电压较低.分配在所有LED两端的电压相同,当LED的一致性差别较大时,通过每只LED的电流不一致,LED的亮度也不同。 当某一只LED品质不良断开时,如果采用稳压式LED驱动器(例如稳压式开关电源),驱动器输出电流将减小,不影响余下所有的LED正常工作.如果是采用恒流式LED驱动,由于驱动器输出电流保持不变,分配在余下LED的电流将增大,容易损坏余下所有的LED。解决办法是尽量
9、多的并联LED,当断开某一只LED时,分配在余下LED的电流不大,不至于影响余下的LED正常工作。当某一只LED品质不良短路时,所有的LED将不亮,但如果并联LED数量较多,通过短路的LED电流较大足以将短路的LED烧成断路。现有两种用于并联配置的驱动IC:一种是驱动VF已匹配LED的IC;另一种是驱动VF未匹配LED的IC。1、驱动VF匹配的LED 使用具有内部匹配电流源的LED驱动IC来驱动并联的匹配LED,驱动IC在现有的335.5V总线电压下运行,LED的电流通过单一的外部电阻器来调节.由于不需要DC/DC变换进行升压,故无需采用外部电感,因此电路的电磁干扰和纹波可达到最小。如果电源电
10、压稳定且经过稳压处理,无需为每个LED配备额外的电流设置电阻器.如果有更高压的稳定电压,此电路还能为额外的串联LED提供匹配电流,但其电压必须至少为03V+nVF.2、驱动VF未匹配的LED 为了驱动未匹配的LED,需要使用可为每个LED提供独立电流控制的IC来获得均匀亮度。因为LED的VF有一定的范围,驱动IC将均匀地匹配各电流以获得均匀亮度,并可在现有的335V总线电压下运行。电路中的驱动IC会测量所有LED的VF,选出最高VF的LED,并将Vout提升至驱动这个最大环值LED所需的最低电平。3、LED采用混联方式 在需要使用比较多的LED的设计中,如果将所有的LED串联,将需要LED驱动
11、器输出较高的电压.如果将所有的LED并联,则需要LED驱动器输出较大的电流。将所有的LED串联或并联,不但限制着LED的使用量,而且并联LED负载电流较大,驱动器的成本也会增加。解决办法是采用混联方式。LED采用混联方式如图5所示,串并联的LED数量平均分配,分配在一串LED上的电压相同,通过同一串每只LED上的电流也基本相同,LED的亮度一致。同时通过每串LED的电流也相近。图5 LED采用混联方式当某一串联LED上有一只LED品质不良短路时,不管采用稳压式驱动还是恒流式驱动,这串LED相当于少了一只LED,通过这串LED的电流将大增,很容易就会损坏这串LED。大电流通过损坏的这串LED后,
12、由于通过的电流较大,多表现为断路。断开一串LED后,如果采用稳压式驱动,驱动器输出电流将减小,而不影响余下所有的LED正常工作。 如果是采用恒流式LED驱动,由于驱动器输出电流保持不变,分配在余下LED的电流将增大,容易损坏所有的LED。解决办法是尽量多的并联LED串,当断开某一串LED时,分配在余下LED串的电流不大,不至于影响余下LED串的正常工作。 这种先串后并的连接方式的优点是电路简单、亮度稳定、可靠性高,并且对器件的一致性要求较低,即使个别使LED单管失效对整个发光组件的影响也较小.并且对LED的要求也较宽松,适用范围大,不需要特别挑选,整个发光组件的亮度也相对均匀。在工作环境因素变
13、化较大的情况下,使用这种连接方式的发光组件效果较为理想。 先并后串混合连接构成的发光组件的问题主要在单组并联LED中,由于器件和使用条件的差别,导致单组中个别LED芯片丧失PN结特性,出现短路,个别器件短路使未失效的LED失去工作电流斥,导致整组LED熄灭,总电流Ifm全部从短路器件通过,而较长时间的短路电流又使器件内部键合金属丝或其他部分烧毁,出现开路.这时未失效的LED重新获得电流,恢复正常发光,只是工作电流斥较原来大了一点。这就是这种连接形式的发光组件出现先是一组几个LED一起熄灭,一段时间后,除其中一个LED不亮,其他LED又恢复正常的原因。LED的诈的不稳定性使多个LED并联使用时,
14、工作电流精度范围受到限制。因此,采用LED并联形式,应考虑器件和环境差别等因素对电路的影响,设计时留有一定的余量,以保证其可靠性。 混联方式还有另一种接法,即将LED平均分配后,分组并联,再将每组串联在一起。当有一只LED品质不良短路时,不管采用稳压式驱动还是恒流式驱动,并联在这一路的LED将全部不亮.如果是采用恒流式LED驱动,由于驱动器输出电流保持不变,除了并联在短路LED的这一并联支路外,其余的LED正常工作.假设并联的LED数量较多,驱动器的驱动电流较大,通过这只短路的LED的电流将增大,大电流通过这只短路的LED后,很容易就变成断路。由于并联的LED较多,断开一只LED的并联支路,平
15、均分配电流不大,依然可以正常工作,那么整个LED仅有一只LED不亮。 如果采用稳压式驱动,因LED品质不良短路,在短路瞬间负载相当于少了一个并联LED支路,加在其余LED上的电压增高,驱动器输出电流将大增,极有可能立刻损坏所有的LED。只有将这只短路的LED烧成断路,驱动器输出电流才能恢复正常,由于并联的LED较多,断开这一LED并联支路,平均分配电流不大,依然可以正常工作,那么整个LED也仅有一只LED不亮。 通过以上分析可知,驱动器与负载LED串并联方式搭配选择是非常重要的,恒流式驱动功率型LED是不适合采用并联负载的,同样的,稳压式LED驱动器不适合选用串联负载.二、LED驱动电路的解决
16、方案车用LED照明工作电流需要恒流稳定,以实现理想的发光强度。用汽车蓄电池驱动LED需要DC/DC转换器来准确调节LED电流,以确保LED发光强度和颜色一致,并保护LED。在汽车照明中,LED驱动基本都采用蓄电池供电,不适合直接驱动LED,不能提供稳定的电压,因此,需要专门的驱动电路来点亮LED.(一)电阻限流电路图6 电阻限流驱动电路如图所示,限流电阻可写成,式中,Vin为电路的输入电压;VF为LED的正向压降;IF为LED的正向电流;VD为防反二极管的压降;y为每串LED的树木;x为并联LED的串数.由图可得LED的线性化数学模型为式中,Vo为单个LED的开通压降;Rs为单个LED的线性化
17、等效串联电阻.则上述公式限流电阻可以写为当电阻选定后,电阻限流电路的IF与VF的关系为由上述公式可治,当输入电压波动时,通过LED的电流也会跟随着变化,因此调节性能差。另外由于电阻R的接入,损失的功率为xRIF2,因此电路的效率低.电阻限制LED的电流的方法并不适合采用额定电压为12V或24V的蓄电池系统,因为蓄电池的实际电压为从618V或1236V。因此,如果需要保持亮度,就必须进行横流控制。(二)线性调节器驱动LED的最佳方案是使用恒流源。实现恒流源的简单电路是:用一个MOSFET与LED串联,对LED的电流进行检测并将其与基准电压相比较,比较信号反馈到运算放大器,进而控制MOSFET的栅
18、极.这种电路如同一个理想的电流源,可以在正向电压、电源电压变化时保持固定的电流。目前,一些线性驱动芯片在芯片内部集成了MOSFET和高精度电压基准,能够在不同照明装置之间保持一致的亮度。线性驱动器相对于开关模式驱动器的优点是电路结构简单,易于实现。因为没有高频开关,所以也不需要考虑EMI问题。线性驱动器的外围组件少,可有效降低系统的整体成本,线性驱动器的功耗等于LED电流乘以内部(或外部)无源器件的压降.当LED电流或输入电源电压增大时,功耗也会增大,从而限制了线性驱动器的应用。 线性变换器的核心是利用工作于线性区的功率晶体管或MOSFET作为一动态可调电阻来控制负载。线性变换器有并联型和串联
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