闡述LED在汽車中的驅(qū)動設計及其特點

LED是一種高效環(huán)保的新型半導體光源，有其它光源無法比擬的優(yōu)勢。在今后的汽車照明應用方面具有廣闊的發(fā)展前景。LED可通過串聯(lián)和并聯(lián)兩種不同方式組合為LED陣列來滿足汽車照明強度需求。本文從LED發(fā)光特性出發(fā)，著重論述LED驅(qū)動設計及其特點，并在此基礎上簡要闡述當前LED所面臨的問題和解決辦法。

1.汽車車燈作用及要求

當前，汽車越來越平民化并成為人們出行的主要工具，行車安全問題受到社會的普遍重視。據(jù)不完全統(tǒng)計，汽車在夜晚或自然光線不足的情況下行駛的里程占總行駛里程的25%，而在此間發(fā)生的交通事故占到總事故的40%，并且一半以上的傷亡事故發(fā)生在夜間。因此，車外照明燈及信號燈是汽車安全行駛的關(guān)鍵部件，必須滿足下列條件：

（1）汽車照明燈點亮無延遲，響應時間更快，給駕駛員更多的反應時間。

（2）照明亮度強，在夜間或自然光線不足的情況下提高駕駛員的視野，同時使車外信號燈的指示作用更強。

（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）節(jié)能，能夠有效減少廢氣的排放量，保護環(huán)境。

（5）基于汽車銷售競爭日益激烈，車燈設計要實用和美觀。

2.LED 成為汽車照明選材中的新星

1、 LED 的工作原理

LED屬于特殊二極管，它是以摻雜等方式構(gòu)成PN結(jié)的半導體器件。在滿足二極管導通條件的情況下，電流通過LED并以光、熱兩種方式釋放能量。LED作為電流型元件進行電流控制，發(fā)光強度基本上根據(jù)所流過電流的大小而定，在正向?qū)ㄟ^程中，它的壓降很大，自身也有一定波動幅度。

由于LED 沒有紅外線及紫外線的輻射，其消耗的能量除轉(zhuǎn)換為光能外，幾乎都是熱能，且只能以熱傳導的形式傳出，因此，LED 在工作時，結(jié)溫會逐漸升高。而LED 是具有負溫度系數(shù)的器件，流過LED 的電流會隨溫度升高而增大，這就形成了正反饋，造成結(jié)溫的進一步升高，如不加控制，就會燒毀LED。LED 的熱學參數(shù)與PN 結(jié)的結(jié)溫有很大關(guān)系，主波長與溫度的關(guān)系如下式：

mp(Tl) = m0(T0)+ 3Tg #0.1nm/°C

由上式可知，每當LED 結(jié)溫升高10℃時，主波長 （ 人眼能夠觀察到的） 就會向長波漂移1nm（1nm=10-9m），導致LED 亮度下降，出現(xiàn)光衰。因此， 個別LED 過熱，就會造成LED 陣列發(fā)光的均勻性變差。

2、 LED 顯著的照明優(yōu)勢

LED 被稱為新光源，原因在于LED 具備點光源與固態(tài)光源的特性，因此具有其它照明光源無法比擬的優(yōu)點。

（1）LED壽命理論上可達10 萬小時，實際壽命也可達到2 萬小時以上，比一般白炙燈泡的1 000小時、日光燈具1 萬小時更有優(yōu)勢，汽車使用壽命期內(nèi)一般不需要更換。

（2）點亮無延遲，響應時間更快。LED 的啟動時間僅為幾十納秒，啟動時間較白熾燈泡大大縮短。

（3）在光線亮度高、自然光線可見度低的情況下，大大降低汽車事故發(fā)生率；基本上無輻射，屬于“綠色光源”。

（4）LED 占用體積小， 結(jié)構(gòu)簡單，高耐震，設計者可以隨意變換燈具模式，令汽車造型多樣化，滿足不同消費者需求。

（5）LED光源受到電壓變化的沖擊比白熾燈泡小很多，表現(xiàn)出優(yōu)良的安全性與可靠性，而且所消耗的能量比同等光效白熾燈低80%，很節(jié)能。

基于以上優(yōu)點,LED可廣泛地應用于汽車照明，但是單個LED并不能滿足汽車照明的強度需求，需要若干個串聯(lián)，并聯(lián)或者串并聯(lián)組成LED陣列才能投入使用。

3、LED 驅(qū)動的設計及特點

LED的驅(qū)動方式主要可以有電阻限流，線性穩(wěn)壓器，開關(guān)型變換器三類。電阻限流方案是針對效率不高的應用情況而設計的，因此在效率要求極高、輸入電壓范圍廣的汽車照明中并沒有使用這種方式；線性穩(wěn)壓器對低電流或者LED正向壓降略低于電源電壓有很好的適應性，但其效率與輸入電壓區(qū)間較小也是相同的；開關(guān)型變換器在電路拓撲上靈活高效，輸入電壓范圍大。因此，綜合考慮工作效率、安裝尺寸、靜態(tài)電流、工作電壓、噪聲和輸出調(diào)節(jié)等因素后，驅(qū)動電路多采用開關(guān)型變換器。開關(guān)變換器拓撲結(jié)構(gòu)分為Buck、Boost 及Buck-Boos 等方式。目前來看，LED 應用在汽車照明上，其驅(qū)動電源必然是鉛酸蓄電池。

因為蓄電池的輸入電壓范圍會與正常的范圍有很大的出入，因此驅(qū)動電路一般用Buck-Boost 拓撲結(jié)構(gòu)滿足LED陣列對電壓要求。此電路拓撲結(jié)構(gòu)直流增益 （輸出電壓與輸入電壓之比）與占空比D（一個開關(guān)周期內(nèi)，開通時間與周期的比值）有關(guān)。當電池電壓低于LED 所需電壓時，調(diào)節(jié)D ＞ 0.5，使電路處于升壓狀態(tài)；當電池電壓高于LED 所需電壓時，調(diào)節(jié)D ＜ 0.5，使電路處于降壓狀態(tài)。LED為電流控制電流型元件，其亮度正比于所通過電流。若LED不采用恒流驅(qū)動方式，則流過的電流發(fā)生波動，甚至電壓不變都可能導致LED亮度改變。為了確保亮度的穩(wěn)定性和可靠性，要求LED以恒定電流進行驅(qū)動，同時要求紋波電流無論如何必須被限制在一個可以接受的范圍內(nèi)。因此LED驅(qū)動電路輸出一定要恒流，不能恒壓。

可以設計LED 驅(qū)動電路原理圖如圖2 所示。

圖2 LED 驅(qū)動原理圖

圖2 可知，Buck-Boost 電路將蓄電池電能變換后對LED 陣列供電，采樣電路對流過LED 的電流采樣，將信號傳到控制電路?？刂齐娐贩治霾蓸?a target="_blank">信息，調(diào)節(jié)Buck-Boost 電路中開關(guān)管的占空比，保證通過LED 電流恒定；當電路出現(xiàn)異常時，通過控制保護電路切斷電源，保證LED 不受損害。一般情況下，LED 驅(qū)動電路必須滿足下列要求：

（1）升降壓功能。當輸入電壓或LED 本身壓降波動時，調(diào)節(jié)輸出電壓，滿足輸出電流恒定的要求，保證LED 發(fā)光穩(wěn)定可靠。

（2）高功率轉(zhuǎn)換效率。以降低驅(qū)動損耗，節(jié)省成本，同時減少蓄電池充電次數(shù)，延長電池使用壽命。

（3）亮度調(diào)節(jié)功能。當周邊環(huán)境較暗時，信號燈通常不需要最大電流來供電，這時可以通過控制驅(qū)動電流來改變LED亮度，從而減少LED耗電量。調(diào)整驅(qū)動電流通常采用PWM信號進行控制。

（4）具有完善的保護電路。應設置各種保護措施，用以保護自身和LED 可靠工作。例如，低壓鎖存、過壓保護、過熱保護、輸出開路或短路保護等。

（5）良好的散熱功能。從LED熱學特性中可以看出溫度是LED運行過程中最主要的影響因素。夜間行駛過程中,LED會處于長期點亮的狀態(tài)，所以必須要具備很好的散熱功能才能確保LED使用壽命和可靠運行。

3.LED 的缺陷及解決方法

1、 不一致性帶來的問題

理論上LED 都是發(fā)光二極管，但是由于材料的純度、工藝和封裝的差異（即使是同一廠家也難避免），實際LED 陣列中單個LED 的性能是有差異的。這將導致LED的發(fā)光強度與驅(qū)動電流不完全相同，耐過電流能力和發(fā)熱的差異也就自然而然的不同了。由于LED不同總會有一個先被破壞，它會讓電流變大，從而破壞其他LED。它是不一致性帶形成的產(chǎn)物和限制它發(fā)展的原因。所以，制造商應該改進LED質(zhì)量以避免出現(xiàn)大的差別，在驅(qū)動電路設計時也應該設計出相關(guān)保護電路以防出現(xiàn)以上現(xiàn)象。

2、驅(qū)動電路復雜的問題

首先從電壓匹配上看,LED不像一般白熾燈泡那樣能與220V交流市電直接相連。LED在3.6~4.5V低電壓下驅(qū)動，需要設計一個復雜變換電路。二是驅(qū)動電流上，為保證LED的正常運行，應采用恒流和恒壓電路提供電源，另增加一個保護電路。這就會使電源電路的復雜性及故障率增加，進而極大制約市場競爭力和購買人群。

因此，設計時盡量采用專用驅(qū)動芯片，以簡化驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)，增強系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。例如，F(xiàn)AN5608 系列、CAT4201、LT3754 等芯片，在LED 驅(qū)動方面效果良好。

由于LED 驅(qū)動技術(shù)比較復雜，現(xiàn)在還沒有全面廣泛地進入汽車市場。我國規(guī)定凡在高速公路上行駛的車輛都要安裝LED霧燈。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，今后若干年LED一定會被廣泛地應用于汽車市場中。總體來說，汽車用燈LED化將成為車燈的主要發(fā)展趨勢，也必然會成為汽車照明系統(tǒng)歷史的跨越。