汽車LED照明燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

許雅楠

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，全世界的汽車工業(yè)的研發(fā)部門(mén)都在努力開(kāi)發(fā)智能化的輔助駕駛系統(tǒng)，以減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)，并進(jìn)一步提高汽車行駛的安全性和舒適度。在汽車照明方面，人們也在開(kāi)發(fā)智能的汽車照明系統(tǒng)，LED照明提供了更時(shí)尚的選擇，可實(shí)現(xiàn)“即時(shí)”照明，并允許0～100%的功率進(jìn)行亮度控制。采用LED的優(yōu)點(diǎn)包括更快達(dá)到設(shè)定亮度、更高的效率、更長(zhǎng)的使用壽命以及很細(xì)小的紅光LED陣列更易于設(shè)計(jì)和安裝，LED照明正以勢(shì)不可擋的優(yōu)勢(shì)風(fēng)靡全球汽車生產(chǎn)的照明。本文就汽車LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真做簡(jiǎn)要的介紹。

關(guān)鍵詞：汽車LED照明燈 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)與仿真

中圖分類號(hào)：TM923.34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）03（b）-0119-01

1 汽車LED照明燈及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的介紹

1.1 LED的結(jié)構(gòu)

由電極、光學(xué)系統(tǒng)和PN結(jié)芯片組成LED的結(jié)構(gòu)。在LED兩電極施加正向偏壓之后，使空穴和電子分別注入N區(qū)和P區(qū)，當(dāng)不平衡的少數(shù)載流子集合時(shí)，就運(yùn)用輻射光子的方式把剩下的能量變換位光能。

LED實(shí)際就是一塊具有電致發(fā)光功能的半導(dǎo)體材料，放在有引線的架上，四周密封時(shí)用環(huán)氧樹(shù)脂，有保護(hù)內(nèi)部的芯線的作用。LED的兩根引線中較長(zhǎng)的一根為正極，應(yīng)接電源正極。有的LED的兩根引線一樣長(zhǎng)，但管殼上有一凸起的小舌，靠近小舌的引線是正極。與白熾燈和氖燈相比，LED的特點(diǎn)是：工作電壓低；工作電流很??；抗沖擊和抗振性能好，可靠性高，壽命長(zhǎng)；通過(guò)調(diào)制LED的電流強(qiáng)弱可以方便地調(diào)制LED的發(fā)光強(qiáng)弱。

LED的發(fā)光過(guò)程有3部分：正向偏壓下的復(fù)合輻射、光能傳輸和載流子注入。環(huán)氧樹(shù)脂把半導(dǎo)體芯片封裝，當(dāng)電子流過(guò)芯片，負(fù)電子運(yùn)動(dòng)到正電子的空穴區(qū)域并復(fù)合，空穴和電子消失隨之光子產(chǎn)生?？昭ê碗娮娱g能量越大，產(chǎn)生光子的能量就越高。光子的能量反過(guò)來(lái)與光的顏色對(duì)應(yīng)，在可見(jiàn)的頻譜范圍內(nèi)，藍(lán)色光、紫色光攜帶的能量最多，桔色光、紅色光攜帶的能量最少。由于不同的材料具有不同的能量，從而能夠發(fā)出不同顏色的光。

1.2 LED照明燈驅(qū)動(dòng)器分類

LED雖然在節(jié)能方面比普通光源效率高，但是LED光源卻不能像一般的光源一樣可以直接使用公用電網(wǎng)電壓，它必須配有專用的電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備，提供能夠滿足驅(qū)動(dòng)LED的額定電壓和電流才能使LED正常工作。但是由于各種規(guī)格不同的LED驅(qū)動(dòng)器的性能和轉(zhuǎn)換效率不同，所以選擇合適、高效的LED驅(qū)動(dòng)器才能真正展現(xiàn)出LED光源高效能的特性。因?yàn)榈托实腖ED驅(qū)動(dòng)器本身就需要消耗大量的電能，所以在給LED供電過(guò)程中就無(wú)法凸顯LED的節(jié)能特點(diǎn)?？傊?，LED驅(qū)動(dòng)器在LED工作中對(duì)LED的穩(wěn)定性、節(jié)能性、壽命長(zhǎng)短都起著重要的作用。LED按驅(qū)動(dòng)方式可以分為兩大類：

恒流式。采用恒流源驅(qū)動(dòng)LED十分理想，缺點(diǎn)是較高的價(jià)格。恒流電路雖然不擔(dān)心負(fù)載發(fā)生短路，但是禁止負(fù)載全部開(kāi)路，該電路輸出的是恒定的電流，輸出的直流電壓卻在一定的范圍內(nèi)發(fā)生變化。在應(yīng)用中藥限制LED的使用次數(shù)，由于恒流驅(qū)動(dòng)器有承受的最大電壓值和電流值。

穩(wěn)壓式。穩(wěn)壓式LED驅(qū)動(dòng)電路在確定各個(gè)參數(shù)后，輸出的電壓是固定的，輸出的電流卻隨著負(fù)載的增減而變化。穩(wěn)壓式驅(qū)動(dòng)電路雖然不怕負(fù)載開(kāi)路，但是嚴(yán)禁負(fù)載完全短路，采用穩(wěn)壓式驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED需要設(shè)置合適的限流電阻。

2 LED照明燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

2.1 分立器件線性恒流LED驅(qū)動(dòng)器

用分立器件設(shè)計(jì)的線性LED恒流驅(qū)動(dòng)器相對(duì)簡(jiǎn)單。該電路中的VD2提供對(duì)晶體管基極的簡(jiǎn)單溫度補(bǔ)償。LED電流則由下式確定：ILED=VD1/RSET。采用分立器件設(shè)計(jì)的恒流LED驅(qū)動(dòng)器，雖然電路簡(jiǎn)單，但與所有低效LED驅(qū)動(dòng)器一樣，都存在能量消耗和由電阻產(chǎn)生的發(fā)熱問(wèn)題。隨著LED亮度的增加，發(fā)熱會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。在電流較小、LED正向電壓略低于電源電壓時(shí)，這種類型的穩(wěn)流方式較為適用。

2.2 開(kāi)關(guān)恒流LED驅(qū)動(dòng)器

開(kāi)關(guān)恒流LED驅(qū)動(dòng)器在一個(gè)周期內(nèi)，RLC（槽電路）被充電。在下一個(gè)周期，該電路儲(chǔ)存的能量被用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載或用于增加驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能量。這種工作模式一般可實(shí)現(xiàn)高于80%的效率，在大多數(shù)情況下還可達(dá)到90%以上。在降壓開(kāi)關(guān)恒流LED驅(qū)動(dòng)器電路中，流過(guò)LED的電流是連續(xù)的，但是交迭的。而整個(gè)電路的能耗卻是不連續(xù)的，該電路可在電源輸入側(cè)引發(fā)EMI問(wèn)題，并通過(guò)電源線傳導(dǎo)。

2.3 升壓/降壓恒流LED驅(qū)動(dòng)器

汽車照明中要用到升壓/降壓LED驅(qū)動(dòng)器是因?yàn)樾铍姵氐碾妷菏遣▌?dòng)的，在電壓波動(dòng)時(shí)，需要保持流過(guò)LED的電流恒定，升壓/降壓LED驅(qū)動(dòng)器能夠保證輸入電壓有多大，保持恒定的電流。這可以確保，當(dāng)冷啟動(dòng)和負(fù)載斷電時(shí)，保障安全的照明燈保持恒定亮度。此外，要實(shí)現(xiàn)LED汽車照明應(yīng)用的通用性，還需要LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同。升壓/降壓LED驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器是理想的高亮度汽車照明系統(tǒng)的選擇方案。

2.4 高電壓驅(qū)動(dòng)LED

當(dāng)電源電壓很高，而LED的正向壓降（VF）與之相比要低10—20倍。對(duì)此要實(shí)現(xiàn)高效及降低輻射噪聲的有效方法是，當(dāng)電壓相差10—20倍時(shí)，應(yīng)選取比電感線圈最高頻率低10—20倍的開(kāi)關(guān)頻率。

2.5 調(diào)光控制

通常情況下。可采用外部RSET電阻、線性調(diào)節(jié)和PWM調(diào)節(jié)等技術(shù)控制LED亮度。在LED驅(qū)動(dòng)器外部使用RSET電阻的方式缺乏靈活性，無(wú)法經(jīng)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。線性調(diào)節(jié)使LED的亮度得到動(dòng)態(tài)控制，但使LED的效率降低，并讓白光LED的色彩偏移。相對(duì)來(lái)說(shuō)，PWM的調(diào)節(jié)技術(shù)有十分明顯優(yōu)勢(shì)，如果PWM脈沖是低電平或者高電平，LED輸入電流分別是0或者最大，它的導(dǎo)通時(shí)間受到PWM引腳輸入脈沖的占空比控制。因?yàn)長(zhǎng)ED總是工作于相同的電流條件下，通過(guò)施加一個(gè)PWM信號(hào)來(lái)控制LED亮度的做法可以在不改變色彩的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

3 結(jié)語(yǔ)

在汽車內(nèi)部，有幾種采用各種類型LED的“標(biāo)準(zhǔn)配置”照明模塊，有些是單個(gè)LED，而像導(dǎo)航面板背光照明等另一些應(yīng)用則需要LED陣列。在外部照明方面，LED也得到了認(rèn)可?，F(xiàn)在超過(guò)40%的汽車中央高位剎車燈已采用了紅色的LED?？梢?jiàn)，LED照明在汽車照明中的應(yīng)用無(wú)處不在，現(xiàn)在還需要加強(qiáng)LED照明的研究，使之更好地運(yùn)用到汽車的照明中去。

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