汽車(chē)內(nèi)部照明LED驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析

近來(lái)，在開(kāi)發(fā)高效能低消耗LED的過(guò)程中所取得的進(jìn)展，使這種照明光源在汽車(chē)內(nèi)部照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中成為一種技術(shù)性選擇。本文將介紹汽車(chē)內(nèi)部照明LED所用到的多種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的具體細(xì)節(jié)，并對(duì)熱管理問(wèn)題加以討論。

LED正在被許多汽車(chē)照明系統(tǒng)所使用。正是由于LED具有尺寸小、效率高的優(yōu)點(diǎn)，使之適用于車(chē)內(nèi)照明。因此，近來(lái)在開(kāi)發(fā)高效能低消耗LED的過(guò)程中所取得的進(jìn)展，使這種照明光源在汽車(chē)內(nèi)部照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)成為一種技術(shù)性選擇。但是，想要驅(qū)動(dòng)這些器件使之發(fā)揮最佳性能，卻是一門(mén)藝術(shù)。

LED需要專門(mén)的工作電流，需要在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)寬度的值域當(dāng)中擁有調(diào)整LED正向電流的辦法與精準(zhǔn)性，需要車(chē)用電池組與充電系統(tǒng)以及串聯(lián)限制電阻器。

在調(diào)節(jié)LED工作電流時(shí)創(chuàng)新使用標(biāo)準(zhǔn)N型溝道耗盡型晶體管（JFET）比使用電阻能獲得更好的效果。JFET可以被看作是一個(gè)壓控電阻。通過(guò)簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)柵源極電壓，使源極能夠提供相對(duì)穩(wěn)定的電流，以此作為串聯(lián)LED的電流源。當(dāng)漏極電壓與未經(jīng)調(diào)整的開(kāi)關(guān)型蓄電池相通連時(shí)，便能提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的電流，與標(biāo)準(zhǔn)電阻相比，使用JFET能提供更高的效率。

LED車(chē)內(nèi)照明將可應(yīng)用在：儀表盤(pán)背光；控制臺(tái)背光；頂燈；便捷光源；RGB基調(diào)光源。

電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器電流要求和熱管理特別注意。圖1所示電路幾乎涉及所有汽車(chē)LED光源應(yīng)用。如果LED電流低于100mA（大多數(shù)車(chē)內(nèi)照明應(yīng)用的類型都是背光或開(kāi)關(guān)照明，電流一般為30mA），電阻阻值可由串聯(lián)在LED兩端的導(dǎo)通電壓（Vfwd）計(jì)算得出。當(dāng)使用13.5 V之類的特殊電源電壓時(shí)，電阻值的確定如下所示：

Vsupply - Vsw_bat - Vrpp -I_led*R1 - 2 Vfwd=0 V

Vsw_bat = 0 V

Vsupply = 13.5 V （一般情況）

Vrpp = 0.8 V

Vfwd = 3.5 V

I_led = 30mA

R1 = 13.5 - 0.8 - 2*（3.5） = 190 Ω/30

由專用電阻來(lái)調(diào)整LED電流的方法已被大家所熟知，并且可通過(guò)選用一個(gè)阻值在一定范圍內(nèi)的電阻作為補(bǔ)償來(lái)解決LED最壞情況下的Vfwd壓降問(wèn)題。然而，供電電壓在9V至18V之間變化，LED電流也隨之改變。在同樣190Ω電阻和9V電壓情況下重新調(diào)整公式，I_led值變?yōu)?.3mA.假定所有的參數(shù)保持不變，供電電壓上升至18 V時(shí)I- led值為53mA。

儀表板通常都要有背光，以便使駕駛員能夠在光線較弱的條件下看清儀表盤(pán)和指針。首先，亮度調(diào)節(jié)能力是最重要的——能提供100 ： 1的亮度調(diào)節(jié)比。此外，為了方便駕駛員對(duì)汽車(chē)狀態(tài)進(jìn)行了解，一些指示用燈也需要背光，例如安全氣囊檢驗(yàn)、動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)、液面情況等等。一般情況下，最多能同時(shí)應(yīng)用30個(gè)LED。

將圖1中的LED連接擴(kuò)展為6路并聯(lián)，并且在低壓的一端由晶體三極管提供脈寬調(diào)制（ PWM）光線調(diào)節(jié)功能。先前計(jì)算出的電阻阻值用以調(diào)整LED的正向電流，因此，在給定電源電壓的條件下，總電流的大小由LED并聯(lián)支路的數(shù)量決定。同樣，供電電壓在9V至18V之間變化，LED電流也隨之改變。在實(shí)際應(yīng)用中，供電電壓為9V時(shí)，LED必須發(fā)出足夠高的亮度以便讓駕駛員能夠正確讀出儀表板讀數(shù)。在18V時(shí)，印刷電路板（PCB）的發(fā)熱問(wèn)題又會(huì)凸顯，這就需要我們對(duì)由此引發(fā)的最壞狀背光燈所使用的LED導(dǎo)通電壓隨顏色而定，紅色、橙色、綠色和淡黃色LED的導(dǎo)通電壓為2.4V，藍(lán)色和白色LED可高至3.8V。如果在串聯(lián)情況下前兩個(gè)LED導(dǎo)通電壓為2.4V，那么恭喜你還可以再串聯(lián)一個(gè)LED。也就是說(shuō)，如果我們?cè)谝唤MLED中使用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的白光燈，那么此支路上的LED數(shù)就被限定為兩個(gè)。如果車(chē)輛在維修時(shí)蓄電池極性接反，可產(chǎn)生高達(dá)- 15V的反極性電壓，此時(shí)需要一個(gè)反極性保護(hù)二極管。LED的反向額定電壓一般為- 5V，因此，在極性相反的情況之下，我們需要一個(gè)阻塞二極管來(lái)保護(hù)LED。

有一種通過(guò)控制電路低壓端電壓來(lái)調(diào)節(jié)LED亮度的方式，主機(jī)可通過(guò)偏壓電阻、晶體三極管或數(shù)字晶體三極管（如MMUN2211系列）來(lái)作為一個(gè)簡(jiǎn)單接口對(duì)LED進(jìn)行控制。晶體三極管具有集成Rb和Rbe電阻，因此使用邏輯電平信號(hào)便足以驅(qū)動(dòng)基本的發(fā)射極電路。通過(guò)使用這樣的晶體三極管并以單頻控制PWM的占空比，可為電路中的LED提供一個(gè)較寬的亮度調(diào)節(jié)范圍。

不只是LED驅(qū)動(dòng)，有很多電路應(yīng)用都需要低成本的固態(tài)穩(wěn)流器。因此，一個(gè)固態(tài)穩(wěn)流器應(yīng)包含以下幾點(diǎn)因素：低成本；在較寬的導(dǎo)通電壓范圍內(nèi)保持電流穩(wěn)定；以低導(dǎo)通電壓運(yùn)行時(shí)壓降較?。粚?dǎo)通電壓過(guò)高時(shí)可進(jìn)行功率限制；為并聯(lián)應(yīng)用提供理想的雙端電流源；為L(zhǎng)ED亮度調(diào)節(jié)提供高頻PWM控制；對(duì)直接引入的射頻能量具有抗磁化特性；具備高等級(jí)的靜電抗干擾能力。

用耗盡型N溝道場(chǎng)效應(yīng)管替換圖1電路中的190歐姆電阻便可成為圖3所示電路。簡(jiǎn)單地將柵極與源極短接，通過(guò)使用1 V以上的電壓將漏極與源極偏置，可產(chǎn)生LED驅(qū)動(dòng)電流。值得一提的是，在使用JFET代替電阻來(lái)調(diào)整LED正向電流的過(guò)程中，當(dāng)漏源電壓增大（電池電壓變化）時(shí)，電流仍可保持相對(duì)穩(wěn)定。圖4顯示了JFET的穩(wěn)流特性，在供電電壓的正常工作范圍內(nèi)，可通過(guò)測(cè)定JFET的伏安特性曲線來(lái)深入了解它的這一特性。

如圖4所示JFET伏安特性曲線，首先是線性區(qū)域，通過(guò)JFET的電流隨著漏-源極間的壓降增大而呈線性增長(zhǎng)。這個(gè)區(qū)域的電壓范圍相對(duì)較窄（大于LED前向壓降且小于1.5V）。我們可以比較一下，同樣在9V供電輸入的情況下圖１和圖3中LED的電流有何不同。圖1中電路取反極性二極管壓降為0.8V，留給190歐姆電阻1.2V電壓，此時(shí)LED電流6.3 mA。而圖3電路中JFET壓降1.2V，這就使LED的電流變?yōu)?1mA。因此我們看到，在較低的線路電壓條件下，使用JFET偏置方法所提供的LED電流約為圖1中供電方式的3.5倍。這類似于線性調(diào)壓器中對(duì)驟降電壓的控制。這種較低的跌落電壓特性可以在車(chē)用蓄電池電量不足的情況下為L(zhǎng)ED提供較大的電流和照明亮度。

圖4中接下來(lái)的區(qū)域是恒流區(qū)，此區(qū)域電壓范圍為1.5 V（LED導(dǎo)通電壓）至大約6 V （ Vbattery為9.2 V至14.5 V）。此恒流區(qū)明確了JFET飽和漏極電流Idss的大小。通過(guò)將柵極與源極短接，此區(qū)域內(nèi)的Idss便成為恒流源電流，并且，此恒定電流值可根據(jù)需要選取。

圖１中LED電流由一電壓值（ 13.5 V）決定，此電壓值不變，LED電流也隨之恒定。但如果此電壓值產(chǎn)生變化會(huì)怎樣呢？JFET恒流區(qū)域內(nèi)不只有一個(gè)供電電壓偏置點(diǎn)。緊接著線性區(qū)之后，隨著JFET的壓降增加，JFET漏極電流基本上進(jìn)入夾斷狀態(tài)，電流的變化率也驟然減?。娏髑€即時(shí)斜率或?qū)Ъ{減?。?。因此JFET能夠在一個(gè)較寬的電池電壓變化范圍內(nèi)（ 9.5 V到14.5 V）提供一個(gè)相當(dāng)可靠的恒定電流。

與電阻相比，利用JFET的恒流區(qū)產(chǎn)生恒定電流能獲得更好的效果。針對(duì)單一偏置電流制造出的LED所擁有的導(dǎo)通電壓服從正態(tài)分布，在電源電壓為13.5 V時(shí)，為了使輸出的電流保持在30mA，必須要解決由LED導(dǎo)通電壓的偏差所帶來(lái)的壓降問(wèn)題。此時(shí)如果想按照?qǐng)D１電路正常使用LED，那恐怕需要安插大量電阻來(lái)補(bǔ)償電路中不同LED的不同正向電壓?？雌饋?lái)購(gòu)買(mǎi)能覆蓋所有導(dǎo)通電壓范圍的LED（按照不同的導(dǎo)通電壓分類）有助于降低成本，但具有諷刺意義的是，這迫使用戶要儲(chǔ)存同等數(shù)量具有不同阻值的電阻。作為替代，如果使用圖5C中所示電路，恒流源或JFET將能夠忽略LED的導(dǎo)通電壓，從而直接提供某一特定值的穩(wěn)定電流。

圖6中所示的第三個(gè)區(qū)域是圖4區(qū)域中電壓達(dá)到40V之前的延續(xù)。在偏置情況下，在供電電壓從6V升至40V期間，由于元器件內(nèi)溝道的電場(chǎng)作用使得JFET電流曲線呈現(xiàn)出折回形態(tài)。在溝道電場(chǎng)作用下，載流子被趕出溝道，此方式可有效減小JFET上的電流與功率損耗。這種自保護(hù)功能使得JFET在遇到極大的電壓時(shí)也能正常為L(zhǎng)ED偏置提供恒流驅(qū)動(dòng)。

到目前為止我們認(rèn)為最壞的情況是持續(xù)供應(yīng)18V電壓，然而雙倍電池供電電壓的情況也是存在的。車(chē)輛發(fā)電機(jī)/交流發(fā)電機(jī)甩負(fù)載時(shí)會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模感應(yīng)瞬變現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)持續(xù)數(shù)百毫秒，而且有時(shí)供電電壓會(huì)在一分鐘內(nèi)上升至26 V，有時(shí)會(huì)達(dá)到40V或更高。因此我們需要一個(gè)車(chē)輛負(fù)載保護(hù)方案。

圖7所示為40V以下BSR58的計(jì)算功率與它的理想恒流源功率，顯示出JFET電路的節(jié)電能力。30V壓降下190Ω電阻功率為4.7W，I_led為156mA。此類電流帶來(lái)功率耗損過(guò)度并會(huì)縮短LED使用壽命。

使用JFET來(lái)為L(zhǎng)ED偏置提供電流已經(jīng)獲得廣泛認(rèn)同，如果有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法能夠調(diào)整Idss值的大小那就更好了。圖8a中電路就是通過(guò)并聯(lián)3個(gè)30mA JFET產(chǎn)生90mA LED偏置電流的。圖8b中，將JFET與一個(gè)2.7 kΩ電阻并聯(lián)，使之通過(guò)微調(diào)Idss電流，在最大20V電壓下也能提供一個(gè)相當(dāng)平穩(wěn)的恒定電流。圖8c所示JFET與一個(gè)200Ω電阻串聯(lián)，這個(gè)電阻的作用是減小Vgs電壓，以此達(dá)到減小Idss電流的目的。

我們已經(jīng)看到，在許多汽車(chē)LED應(yīng)用中通過(guò)使用電阻偏置電路配以BSR58 JFET恒流源，為我們帶來(lái)很大方便。這種恒流源無(wú)論在低、中、高線路電壓下都能勝任。此外，我們可以通過(guò)增加電阻或附加并聯(lián)的JFET很容易地調(diào)整JFET供電電流大小。然而通過(guò)JFET使LED偏置所帶來(lái)的最大優(yōu)勢(shì)是，我們可以忽略為補(bǔ)償每個(gè)LED固有的導(dǎo)通電壓差異所必需的大范圍電阻阻值。

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