阐述LED在汽车中的驱动设计及其特点

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。在今后的汽车照明应用方面具有广阔的发展前景。LED可通过串联和并联两种不同方式组合为LED阵列来满足汽车照明强度需求。本文从LED发光特性出发，着重论述LED驱动设计及其特点，并在此基础上简要阐述当前LED所面临的问题和解决办法。

当前，汽车越来越平民化并成为人们出行的主要工具，行车安全问题受到社会的普遍重视。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。

1、 LED 的工作原理

LED属于特殊二极管，它是以掺杂等方式构成PN结的半导体器件。在满足二极管导通条件的情况下，电流通过LED并以光、热两种方式释放能量。LED作为电流型元件进行电流控制，发光强度基本上根据所流过电流的大小而定，在正向导通过程中，它的压降很大，自身也有一定波动幅度。

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、 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1 万小时更有优势，汽车使用寿命期内一般不需要更换。

（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光源受到电压变化的冲击比白炽灯泡小很多，表现出优良的安全性与可靠性，而且所消耗的能量比同等光效白炽灯低80%，很节能。

基于以上优点,LED可广泛地应用于汽车照明，但是单个LED并不能满足汽车照明的强度需求，需要若干个串联，并联或者串并联组成LED阵列才能投入使用，如图1。

图1 LED 组合成的照明光源

3、LED 驱动的设计及特点

LED的驱动方式主要可以有电阻限流，线性稳压器，开关型变换器三类。电阻限流方案是针对效率不高的应用情况而设计的，因此在效率要求极高、输入电压范围广的汽车照明中并没有使用这种方式；线性稳压器对低电流或者LED正向压降略低于电源电压有很好的适应性，但其效率与输入电压区间较小也是相同的；开关型变换器在电路拓扑上灵活高效，输入电压范围大。因此，综合考虑工作效率、安装尺寸、静态电流、工作电压、噪声和输出调节等因素后，驱动电路多采用开关型变换器。开关变换器拓扑结构分为Buck、Boost 及Buck-Boos 等方式。目前来看，LED 应用在汽车照明上，其驱动电源必然是铅酸蓄电池。

因为蓄电池的输入电压范围会与正常的范围有很大的出入，因此驱动电路一般用Buck-Boost 拓扑结构满足LED阵列对电压要求。此电路拓扑结构直流增益 （输出电压与输入电压之比）与占空比D（一个开关周期内，开通时间与周期的比值）有关。当电池电压低于LED 所需电压时，调节D ＞ 0.5，使电路处于升压状态；当电池电压高于LED 所需电压时，调节D ＜ 0.5，使电路处于降压状态。LED为电流控制电流型元件，其亮度正比于所通过电流。若LED不采用恒流驱动方式，则流过的电流发生波动，甚至电压不变都可能导致LED亮度改变。为了确保亮度的稳定性和可靠性，要求LED以恒定电流进行驱动，同时要求纹波电流无论如何必须被限制在一个可以接受的范围内。因此LED驱动电路输出一定要恒流，不能恒压。

可以设计LED 驱动电路原理图如图2 所示。

图2 LED 驱动原理图

图2 可知，Buck-Boost 电路将蓄电池电能变换后对LED 阵列供电，采样电路对流过LED 的电流采样，将信号传到控制电路。控制电路分析采样信息，调节Buck-Boost 电路中开关管的占空比，保证通过LED 电流恒定；当电路出现异常时，通过控制保护电路切断电源，保证LED 不受损害。一般情况下，LED 驱动电路必须满足下列要求：

（1）升降压功能。当输入电压或LED 本身压降波动时，调节输出电压，满足输出电流恒定的要求，保证LED 发光稳定可靠。

（2）高功率转换效率。以降低驱动损耗，节省成本，同时减少蓄电池充电次数，延长电池使用寿命。

（3）亮度调节功能。当周边环境较暗时，信号灯通常不需要最大电流来供电，这时可以通过控制驱动电流来改变LED亮度，从而减少LED耗电量。调整驱动电流通常采用PWM信号进行控制。

（4）具有完善的保护电路。应设置各种保护措施，用以保护自身和LED 可靠工作。例如，低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或短路保护等。

（5）良好的散热功能。从LED热学特性中可以看出温度是LED运行过程中最主要的影响因素。夜间行驶过程中,LED会处于长期点亮的状态，所以必须要具备很好的散热功能才能确保LED使用寿命和可靠运行。

1、 不一致性带来的问题

理论上LED 都是发光二极管，但是由于材料的纯度、工艺和封装的差异（即使是同一厂家也难避免），实际LED 阵列中单个LED 的性能是有差异的。这将导致LED的发光强度与驱动电流不完全相同，耐过电流能力和发热的差异也就自然而然的不同了。由于LED不同总会有一个先被破坏，它会让电流变大，从而破坏其他LED。它是不一致性带形成的产物和限制它发展的原因。所以，制造商应该改进LED质量以避免出现大的差别，在驱动电路设计时也应该设计出相关保护电路以防出现以上现象。

首先从电压匹配上看,LED不像一般白炽灯泡那样能与220V交流市电直接相连。LED在3.6~4.5V低电压下驱动，需要设计一个复杂变换电路。二是驱动电流上，为保证LED的正常运行，应采用恒流和恒压电路提供电源，另增加一个保护电路。这就会使电源电路的复杂性及故障率增加，进而极大制约市场竞争力和购买人群。

因此，设计时尽量采用专用驱动芯片，以简化驱动电路结构，增强系统工作的稳定性。例如，FAN5608 系列、CAT4201、LT3754 等芯片，在LED 驱动方面效果良好。

由于LED 驱动技术比较复杂，现在还没有全面广泛地进入汽车市场。我国规定凡在高速公路上行驶的车辆都要安装LED雾灯。随着汽车工业的发展，今后若干年LED一定会被广泛地应用于汽车市场中。总体来说，汽车用灯LED化将成为车灯的主要发展趋势，也必然会成为汽车照明系统历史的跨越。