汽車LED驅動電路的設計方案

在汽車或汽車中，LED已發(fā)展成為照明的首選。無論是后尾燈還是儀表盤中的指示燈，如下圖 1 所示，如今都集成了LED。其緊湊的尺寸有助于設計的多功能性，并提供與車輛預期壽命本身一樣耐用的期望。

在汽車或汽車中，LED已發(fā)展成為照明的首選。無論是后尾燈還是儀表盤中的指示燈，如下圖 1 所示，如今都集成了LED。其緊湊的尺寸有助于設計的多功能性，并提供與車輛預期壽命本身一樣耐用的期望。

LED實際上是一個P型N型（PN）結二極管，它允許電流僅在一個方向上通過它。一旦 LED 兩端的電壓達到最小正向電壓（VF），電流就開始流動。

LED的照明水平或亮度由正向電流（IF）決定;而 LED 消耗的電流取決于施加在 LED 上的電壓。

盡管LED亮度和正向電流IF是線性相關的，但即使LED兩端的正向電壓VF略有增加，也會引發(fā)LED電流攝入的快速增加。

具有不同顏色規(guī)格的 LED 由于其特定的半導體成分而具有不同的 VF 和 IF 規(guī)格（圖2）。有必要考慮每個LED的數(shù)據(jù)表規(guī)格，特別是在單個電路中應用不同顏色的LED時。

圖 #2

例如，當使用紅綠藍 （RGB） 照明進行開發(fā)時，紅色 LED 的正向電壓額定值可能約為 2 V，而藍色和綠色 LED 的額定電壓可能在 3 至 4 V左右。

考慮到您采用單個公共電源操作這些 LED，您可能需要為每個彩色 LED 配備一個計算良好的限流電阻，以避免 LED 劣化。

熱效率和功率效率

除了電源電壓和電流參數(shù)外，溫度和功率效率同樣需要仔細分析。雖然，施加在LED上的大部分電流被轉換為LED光，但少量功率在器件的PN結內(nèi)轉化為熱量。

LED結上產(chǎn)生的溫度可能會受到一些外部參數(shù)的嚴重影響，例如：

通過大氣溫度（TA），

通過LED結和環(huán)境空氣之間的熱阻（RθJA），

以及功耗 （PD）。

以下公式1揭示了LED的功耗規(guī)格PD：

PD =VF × IF ------------方程 #1

借助上述方法，我們可以進一步推導出以下計算LED結溫（TJ）的方程：

TJ = TA + RθJA × PD ---------- 方程 #2

不僅在正常工作條件下，而且在設計的絕對最高環(huán)境溫度TA下，對于最壞情況的關注，確定TJ至關重要。

隨著LED結溫TJ的升高，其工作效率下降。LED 的正向電流 IF 和結溫 TJ 必須保持在數(shù)據(jù)手冊分類的絕對最大額定值以下，以防止損壞（圖

3）。

圖 #3

除了LED，您還應考慮電阻和驅動元件（如BJT和運算放大器）的功率效率，特別是隨著分立元件數(shù)量的增加。

驅動器級的電源效率不足、LED導通時間和/或環(huán)境溫度所有這些因素都可能導致器件溫度升高，影響B(tài)JT驅動器的電流輸出，并降低LED的VF降。

隨著溫度的升高降低LED的正向壓降，LED的電流消耗率上升;導致功率耗散PD和溫度成比例增加，這導致LED的正向壓降VF進一步降低。

這種溫度持續(xù)上升的循環(huán)，也稱為“熱失控”，迫使LED在最佳工作溫度以上工作，導致快速退化，并在某個時候器件發(fā)生故障，因為中頻消耗水平增加。

線性 LED 驅動器

通過晶體管或IC線性操作LED實際上非常方便。在所有可能性中，控制LED的最簡單方法通常是將其直接連接到電源電壓源（VS）。

使用合適的限流電阻可限制器件的電流消耗，并固定LED的精確壓降。以下公式3可用于計算串聯(lián)電阻（RS）值：

借助上述方法，我們可以進一步推導出以下計算LED結溫（TJ）的方程：

TJ = TA + RθJA × PD ---------- 方程 #2

不僅在正常工作條件下，而且在設計的絕對最高環(huán)境溫度TA下，對于最壞情況的關注，確定TJ至關重要。

隨著LED結溫TJ的升高，其工作效率下降。LED 的正向電流 IF 和結溫 TJ 必須保持在數(shù)據(jù)手冊分類的絕對最大額定值以下，以防止損壞（圖

3）。

圖 #3

除了LED，您還應考慮電阻和驅動元件（如BJT和運算放大器）的功率效率，特別是隨著分立元件數(shù)量的增加。

驅動器級的電源效率不足、LED導通時間和/或環(huán)境溫度所有這些因素都可能導致器件溫度升高，影響B(tài)JT驅動器的電流輸出，并降低LED的VF降。

隨著溫度的升高降低LED的正向壓降，LED的電流消耗率上升;導致功率耗散PD和溫度成比例增加，這導致LED的正向壓降VF進一步降低。

這種溫度持續(xù)上升的循環(huán)，也稱為“熱失控”，迫使LED在最佳工作溫度以上工作，導致快速退化，并在某個時候器件發(fā)生故障，因為中頻消耗水平增加。

線性 LED 驅動器

通過晶體管或IC線性操作LED實際上非常方便。在所有可能性中，控制LED的最簡單方法通常是將其直接連接到電源電壓源（VS）。

使用合適的限流電阻可限制器件的電流消耗，并固定LED的精確壓降。以下公式3可用于計算串聯(lián)電阻（RS）值：

RS = VS - VF / IF ---------- 等式 #3

參考圖 #4，我們看到 3 個 LED 串聯(lián)使用，VF 計算應考慮 3 個 LED 上的整個壓降 VF（LED 的正向電流 IF 保持不變）。

圖 #4

雖然這可能是最簡單的LED驅動器配置，但在實際實現(xiàn)中可能非常不切實際。

電源，尤其是汽車電池，容易受到電壓波動的影響。

電源輸入的微小增加會觸發(fā)LED消耗更多的電流，從而被破壞。

此外，電阻中過大的功率耗散PD會增加器件溫度，從而導致熱失控。

面向汽車應用的分立式恒流LED驅動器

當使用恒流功能時，它可確保增強的節(jié)能和可靠的布局。由于最普遍的LED操作技術是通過開和關開關，因此晶體管可實現(xiàn)良好調(diào)節(jié)的電流供應。

圖 #5

參考上面的圖5，根據(jù)LED配置的電壓和電流規(guī)格，可以選擇BJT或MOSFET。與電阻器相比，晶體管易于處理更大的功率，但容易受到電壓上下和溫度變化的影響。例如，當BJT周圍的電壓上升時，其電流也會成比例增加。

為了保證額外的穩(wěn)定性，可以定制這些BJT或MOSFET電路，以提供恒定電流，盡管電源電壓不平衡。

設計 LED 電流源

圖6至圖8展示了一些電流源電路圖示。

在圖6中，齊納二極管在晶體管基極產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。

限流電阻RZ確保受控電流，使齊納二極管正常工作。

齊納二極管輸出產(chǎn)生恒定電壓，不受電源電壓波動的影響。

發(fā)射極電阻RE上的壓降應補充齊納二極管的壓降，因此晶體管調(diào)節(jié)集電極電流;這可確保通過LED的電流始終保持恒定。

使用運算放大器反饋

在下面的圖7中，顯示了具有反饋環(huán)路的運算放大器電路，用于構建理想的汽車LED控制器電路。反饋連接確保輸出自動調(diào)整，以便在負輸入處產(chǎn)生的電位保持等于其正基準輸入。

齊納二極管被箝位以在運算放大器的同相輸入端產(chǎn)生基準電壓。如果LED電流超過預定值，它會在檢測電阻RS上產(chǎn)生成比例的電壓，試圖超過齊納參考值。

由于這會導致運算放大器負反相輸入端的電壓超過正基準齊納值，因此迫使運算放大器輸出關閉，從而降低LED電流以及RS兩端的電壓。

這種情況再次將運算放大器輸出恢復為開啟狀態(tài)并激活LED，運算放大器的這種自調(diào)節(jié)動作繼續(xù)無限確保LED電流永遠不會超過計算出的不安全水平。

上面的圖 8 顯示了使用幾個 BJT

完成的另一種基于反饋的設計。在這里，電流通過R1流動，接通晶體管Q1。電流繼續(xù)通過R2，固定正確的電流量通過LED。

如果通過R2的LED電流試圖超過預定值，R2兩端的壓降也會成比例增加。當這個壓降上升到晶體管Q2的基極到發(fā)射極電壓（Vbe）時，Q2開始導通。

Q2現(xiàn)在開始通過R1吸收電流，迫使Q1開始關閉，并且條件保持自我調(diào)節(jié)通過LED的電流，確保LED電流永遠不會超過不安全的水平。

這種帶反饋環(huán)路的晶體管限流器根據(jù)R2的計算值保證為LED提供恒定電流。在上面的例子中，實現(xiàn)了BJT，但對于更高電流的應用，在該電路中使用MOSFET也是可行的。

使用集成電路的恒流LED驅動器

這些基本的基于晶體管的構建模塊可以很容易地復制來操作多個LED串，如圖9所示。

控制一組 LED 串會導致元件數(shù)量增加，占用更高的 PCB 空間并消耗更多通用輸入/輸出 （GPIO） 引腳。

而且，這樣的設計基本上沒有亮度控制和故障診斷的考慮，這是大多數(shù)功率LED應用的基本需求。

要包括亮度控制和故障診斷等規(guī)格，需要額外數(shù)量的分立元件和額外的設計分析程序。

包含更多LED的LED設計會導致分立電路設計包含更多數(shù)量的零件，從而增加電路的復雜性。

為了簡化設計過程，應用專用IC作為LED驅動器被認為是最有效的。如圖9所示，使用基于IC的LED驅動器可以簡化圖10所示的許多分立元件。

圖 #10

LED 驅動器 IC 專為處理 LED 的關鍵電壓、電流和溫度規(guī)格而設計，并可最大限度地減少器件數(shù)量和電路板尺寸。

此外，LED驅動器IC可能具有用于亮度控制和診斷的附加功能，包括過溫保護。也就是說，使用基于BJT的分立設計也可以實現(xiàn)上述高級功能，但相對而言，IC似乎是一種更容易的選擇。

汽車 LED 應用的挑戰(zhàn)

在許多汽車LED實現(xiàn)中，亮度控制成為一種必不可少的問題。

由于通過LED調(diào)節(jié)正向電流IF按比例調(diào)節(jié)亮度水平，因此可以采用模擬設計來實現(xiàn)結果。LED亮度控制的數(shù)字方法是通過PWM或脈寬調(diào)制。以下詳細介紹了這兩個概念，并展示了如何將它們應用于汽車LED應用

模擬和PWM LED亮度控制之間的差異

圖11評估了控制LED亮度的模擬和數(shù)字方法之間的主要區(qū)別。

圖 #11

通過使用模擬LED亮度控制，LED照明通過流動電流的大小來改變;電流越大，亮度越大，反之亦然。

但是，模擬調(diào)光或亮度控制的質量并不令人滿意，特別是在較低的亮度范圍內(nèi)。模擬調(diào)光通常不適用于與顏色相關的 LED 應用，如 RGB

照明或狀態(tài)指示燈;因為不同的IF往往會影響LED的顏色輸出，導致RGB LED的顏色分辨率較差。

相比之下，基于PWM的LED調(diào)光器不會改變LED正向電流IF，而是通過改變LED的ON/OFF開關速率來控制強度。然后，平均導通時間LED電流決定LED上的比例亮度。它也被稱為占空比（脈沖寬度與PWM脈沖間隔的比值）。通過PWM，更高的占空比會導致通過LED的平均電流更高，從而導致更高的亮度，反之亦然。

由于您可以根據(jù)各種照明范圍微調(diào)占空比，因此與模擬調(diào)光相比，PWM 調(diào)光有助于實現(xiàn)更寬的調(diào)光比。

雖然PWM保證了增強的亮度控制輸出，但它需要更多的設計分析。PWM頻率必須比我們的視覺可以感知的要高得多，否則LED最終可能會看起來像在閃爍。此外，PWM調(diào)光電路因產(chǎn)生電磁干擾（EMI）而臭名昭著。

來自 LED 驅動器的干擾

在EMI控制不足的情況下構建的汽車LED驅動器電路可能會對其他相鄰的電子軟件產(chǎn)生不利影響，例如在收音機或類似的敏感音頻設備中產(chǎn)生嗡嗡聲。

LED驅動器IC當然可以為您提供模擬和PWM調(diào)光功能，以及解決EMI問題的補充功能，例如可編程壓擺率，或輸出通道相移或群延遲。

為了能夠向汽車用戶提供診斷警報，車身控制模塊（BCM）中的智能高邊開關通過尾燈元件記錄故障，如上圖12所示。

話雖如此，通過BCM識別LED故障可能很復雜。有時，您可能會使用相同的BCM板設計來檢測基于白熾燈泡的標準電路或基于LED的系統(tǒng);因為與白熾燈泡相比，LED電流往往要小得多，因此區(qū)分了邏輯LED負載。

結論

如果電流檢測診斷設計不準確，則可能難以識別開路或斷開的負載。BCM 無需使用單個開路 LED 串，而是更容易檢測到整個 LED

串，以報告開路負載情況。一種條件，可確保如果單 LED 出現(xiàn)故障，則可以執(zhí)行全 LED 故障標準，以便在檢測到單個 LED 故障時關閉所有

LED。汽車線性LED驅動器包括允許一個故障-所有故障反應的功能，并且可以識別多個IC配置中的公共誤差總線。