適用于汽車照明的LED驅(qū)動模塊的研發(fā)

1、收稿日期 :20110623適用于汽車照明的 LED 驅(qū)動模塊的研發(fā)許建榮楊劼顧立恒(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司 , 上海 201201【 摘要 】 簡述了發(fā)光二極管 (LED 光源的特點 。 針對 LED 的伏安特性及對 LED 驅(qū)動的設(shè)計要求 , 提出3種 LED 驅(qū)動方式設(shè)計方案并作了相關(guān)分析 ?！?Abstract 】 The characteristic of LED light source is expatiatedAccording to the volt-ampere characteristic of LED and LED driver design requirement

2、s , three kinds of LED drive methods are pro-posed and correlation analysis is made【 關(guān)鍵詞 】 車燈發(fā)光二極管驅(qū)動模塊doi :10. 3969/j.issn1007-455420110905隨著半導(dǎo)體材料和封裝工藝的提高 , 發(fā)光二 極管 (LED 的光通量和出光效率逐漸提高 , 從而 使固體光源成為可能 ,LED 已被廣泛應(yīng)用于交通 燈 、 汽車燈具 、 廣告牌等特殊照明領(lǐng)域 , 并且逐漸 向普通照明領(lǐng)域過渡 。 在汽車照明領(lǐng)域 , 由于汽 車電源的波動特殊性 , 對 LED 的控制提出了一定 的要求 ,

3、 本文通過對 LED 物理特性的分析 , 得出 LED 驅(qū)動設(shè)計的要求 , 并提出了 3種適用于汽車 照明的 LED 驅(qū)動方法并加以分析 。1LED 的相關(guān)概念11LED 的工作原理LED 作為一種新型的照明光源已被逐漸應(yīng)用于生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域 。 在汽車照明領(lǐng)域 ,LED 以其卓越的安全性 、 可靠性和節(jié)能性 , 成為汽車照 明系統(tǒng)的新寵和主流 , 給汽車車燈的升級和革命 帶來了契機 , 具有一定的經(jīng)濟價值 。 LED 的核心是 PN 結(jié) , 具有正向?qū)?, 反向截 止 、 擊穿等特性 。 在用直流電給 LED 供電時 , 只有 加載在 LED 上的電壓值超過其導(dǎo)通電壓時 ,LED 才會

4、導(dǎo)通發(fā)光 。 LED 的伏安特性曲線是非線性的 , 即流過 LED 的電流和加載在 LED 兩端的電壓 不成線性比例 , 如圖 1所示 。 根據(jù)該伏安特性曲線 :LED 在達(dá)到正向?qū)妷汉?,其正向電壓的微 小變化都將引起流經(jīng) LED 的電流急劇變化 。 若流過 LED 的電流失控 ,LED 長期工作在大電流下將 影 響 LED 的可靠性和壽命 , 因此需要對 LED 做限圖 1LED 的伏安特性曲線32流控制 。12LED 的分類LED 用于汽車按結(jié)構(gòu)分類 , 主要可分為直插 式 、 食人魚 、 SMD 式和 SNAP 式幾種 。近幾年 , 大功率 、 高流明的 LED 也逐漸被廣泛 應(yīng)用

5、 , 如 OSRAM 的 GoldenDragon 和 LUXEON 的 K2和 Rebel 系列 LED 。 這類大功率 LED 的特點 是亮 度 很 高 , 這 樣 在 相 同 的 亮 度 要 求 下 可 減 少 LED 的使用顆數(shù) 。 在車燈應(yīng)用領(lǐng)域 , 適用于前位 置燈 、 DRL 、 霧燈等亮度要求較高的燈具類型 。 但 這類大功率 LED 的問題在于其發(fā)光芯片的溫度很 高 , LED 容易受自身熱量的影響而產(chǎn)生光衰 , 必須 使用鋁板或鋁支架對 LED 進行散熱 。13LED 的特點LED 由于其特殊的一些優(yōu)點 , 被廣泛應(yīng)用于 汽車信號燈 , 如尾燈 、 制動燈 、 轉(zhuǎn)向燈及高位

6、制動 燈等 。 LED 與傳統(tǒng)光源相比較的優(yōu)點如下 :(1 體積小 , 可以實現(xiàn)較緊湊的光學(xué)設(shè)計 , 設(shè) 計靈活性大 , 可以根據(jù)燈具外部造型隨意組合以 匹配各種造型的汽車 。(2 啟動迅速 , 可頻繁切換 。 LED 無須熱啟 動時間 、 亮燈反應(yīng)時間短 。 LED 制動燈可使汽車 追尾事故發(fā)生率降低 。 數(shù)據(jù)顯示 , LED 燈能降低 50%的追尾事故的發(fā)生率 。(3 具有較高的發(fā)光能效 , 比同等亮度的鹵 素?zé)艄?jié)能近一半 。(4 使用壽命長 :使用壽命大于 1萬 h 。(5 LED 為固體光源 , 眩光小 , 抗震動和耐沖 擊性能強 。(6 LED 為冷光源 , 它的電能除一部分轉(zhuǎn)換 為

7、光能后 , 其余的能量轉(zhuǎn)化為傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)至自身 , LED 產(chǎn)生的輻射熱量很少 。 這樣對于燈具機械結(jié) 構(gòu)設(shè)計的散熱要求降低 , 燈具不會因為長期受熱 而變形 。2LED 的驅(qū)動方式LED 燈具按燈具類型分主要有 :尾燈 、 霧燈 、 前位置燈 、 日間行進燈 、 高位制動燈及側(cè)轉(zhuǎn)向燈等 幾大類 。 對于逐漸增多的 LED 燈具項目 , 合適的 驅(qū)動器設(shè)計非常重要 。 因為采用恒流方式的驅(qū)動 能夠限制功率耗散和恒定亮度 , 保證 LED 的使用 壽命 , 所以 LED 驅(qū)動成為了車燈設(shè)計的重要部分 之一 。 LED 驅(qū)動方式主要有以下幾種 :電阻限流 、 線性恒流 、 開關(guān)電源 (DC-DC 驅(qū)

8、動式 。 下面對這 3種 LED 的驅(qū)動方式作相關(guān)分析 。21電阻限流驅(qū)動式211電阻限流驅(qū)動式結(jié)構(gòu)電阻限流驅(qū)動式屬于線性驅(qū)動方式 , 電阻驅(qū) 動式就是將限流電阻串聯(lián)在電源和 LED 負(fù)載之 間 , 從而對流經(jīng) LED 的電流進行限流 , 保護 LED 不被過大電流燒至短路 。 這種驅(qū)動方式的典型電 路見圖 2 。圖 2電阻限流驅(qū)動式電路結(jié)構(gòu)212電阻限流驅(qū)動式計算公式如圖 3所示 , 存在以下計算關(guān)系 :限流電阻 R =UinyUFUDxIF變形后得 I F =UinUDxRyxRUF式中 :U in 為電路的輸入電壓 ; U F 為 LED 的正 向壓降 ; I F 為 LED 的正向電流

9、 ; U D 為防反接二極 管的壓降 ; y 為每串 LED 的數(shù)目 ; x 為并聯(lián) LED 的 串?dāng)?shù) 。 由上式可知 , 當(dāng)限流電阻選定后 , I F 與 U F 成線性關(guān)系 。213電阻限流驅(qū)動式的特點電阻限流驅(qū)動式的優(yōu)點是 :電路簡單 、 無電磁 干擾 (EMI 問題 。 缺點是 :(1 當(dāng)輸入電壓波動 時 , 通過 LED 的電流也會隨電壓的變化而變化 , 調(diào) 節(jié)性能差 , 因此 LED 的亮度也隨輸入電壓的變化 而變化 , 即無法對 LED 進 行 恒 流 控 制 從 而 保 證 LED 在波動的輸入電壓下保持光通量的一致性 ;09 圖 3電阻限流式驅(qū)動電路計算用圖(2 由于限流電阻

10、 R 的接入損失功率為 xRI 2 F, 并以 熱能形式釋放 , 因此驅(qū)動電路的工作效率一般低 于 30%。22 線性恒流驅(qū)動式221線性恒流驅(qū)動式的結(jié)構(gòu)線性恒流驅(qū)動式也屬于線性驅(qū)動方式 。 線性 恒流驅(qū)動式的核心是利用工作于線性區(qū)的功率三 極管或 MOS 管作為一動態(tài)可調(diào)的電阻串聯(lián)在驅(qū) 動電路中 , 來控制流過負(fù)載的電流 A 。 其結(jié)構(gòu)圖見 圖 4。圖 4線性恒流驅(qū)動式電路結(jié)構(gòu)222線性恒流驅(qū)動式的工作原理線性恒流驅(qū)動式的調(diào)整原理如下 :負(fù)反饋環(huán) 路 (負(fù)反饋環(huán)路的核心是一個電壓誤差放大器 會 持續(xù)地對輸出電壓和穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓之間進行比 較 , 當(dāng)輸出僅有幾毫伏誤差時 , 通過改變串聯(lián)調(diào)整

11、單元 (三極管 的導(dǎo)通電阻 , 即可調(diào)整輸出 。 223線性恒流驅(qū)動式的特點根據(jù)線性恒流驅(qū)動電路的原理可知 :線性恒 流驅(qū)動可保持通過 LED 的電流為常數(shù) , 防止了過 大電流對 LED 造成的損壞 。 從電磁兼容性的角度 考慮 , 線性恒流的驅(qū)動方式產(chǎn)生的噪聲很少 。 而 且線 性 恒 流 驅(qū) 動 的 工 作 方 式 效 率 有 所 提 高 , 在 30% 40%之間 。但這樣的驅(qū)動方式仍然存在缺點 :首先 , 線性 恒流驅(qū)動中的串接三極管上存在過大功耗 , 所有 的負(fù)載電流都必須通過串接晶體管 , 如果系統(tǒng)不 能將最高環(huán)境溫度時由損耗所產(chǎn)生的熱量散發(fā) 掉 , 就必須設(shè)計散熱方案 ; 其二

12、 , 由于三極管是串 接在電路中的 , 如果由于三極管上功耗過大而導(dǎo) 致三極管損壞 , 則整個電路都將失效 , 導(dǎo)致 LED 無 法點亮 。23開關(guān)電源 (DC-DC 驅(qū)動式上述兩種驅(qū)動技術(shù)不但受輸入電壓范圍的限 制 , 而且工作效率低 。 開關(guān)電源是目前能量變換 中效率最高的 。 這種驅(qū)動方式可實現(xiàn)小型化驅(qū)動 模塊的設(shè)計 , 圖 5是某車型的 DRL 的 DC-DC 式驅(qū) 動模塊 。圖 5某車型 DRL 驅(qū)動模塊231DC-DC 驅(qū)動式的結(jié)構(gòu)DC-DC 驅(qū)動式的主流應(yīng)用中 , 按結(jié)構(gòu)可分為 降壓式 (Buck 、 升壓式 (Boost 、 升降壓式 (Buck-Boost 3種 。 Buck

13、 控 制 , 其 電 路 結(jié) 構(gòu) 參 見 圖 6; Boost 控制 , 其電路結(jié)構(gòu)參見圖 7; Buck-Boost 控 制 , 其電路結(jié)構(gòu)參見圖 8。圖 6Buck 電路結(jié)構(gòu)52 圖 7Boost電路結(jié)構(gòu) 圖 8Buck-Boost 電路結(jié)構(gòu)232DC-DC 驅(qū)動式的工作原理開關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài) 。 DC-DC 驅(qū)動方式的核心是 PWM 脈寬調(diào)制 技術(shù) ,該驅(qū)動方式將快速通斷的晶體管置于輸入 與輸出之間 , 通過調(diào)節(jié)通斷比例 (占空比 來控制晶體管的導(dǎo)通時間 ,從而控制輸出高頻方波脈沖 電壓的高低電平時間 , 該高頻方波脈沖電壓 , 再經(jīng) 過電容平波后變成需要的直流電

14、壓輸出 , 方波脈 沖的平均值就是直流輸出電壓 。 整個電路采用輸 出負(fù)反饋 , 通過檢測輸出電壓并結(jié)合負(fù)反饋控制 占空比 , 穩(wěn)定輸出電壓不受輸入電壓和輸出負(fù)載 變化的影響 。 233DC-DC 驅(qū)動式的特點DC-DC 驅(qū)動式由于其特殊的 PWM 控制方式 , 具有以下特點 :(1 DC-DC 驅(qū)動式是通過重復(fù)通 /斷的開關(guān)方式把直流電變換成高頻方波電 , 再經(jīng)過平波后變成需要的直流電輸出 ; (2 具有閉環(huán)負(fù) 反饋系統(tǒng) ,可實現(xiàn)高精度的恒流控制 ; (3 具有很 高的工作效率 , 優(yōu)化情況下可達(dá)到 80%的工作效率 , 相比于前兩種驅(qū)動方式其散熱量小 ; (4 當(dāng)提 高工作頻率 , 可相應(yīng)

15、減小所用元器件的尺寸體積 , 從而實現(xiàn)驅(qū)動模塊的小型化 。 但這種驅(qū)動方式也 同樣存在缺點 :首先 , 由于電路的復(fù)雜化 , 其設(shè)計 周期較長 , 并需要具備一定的技術(shù)手段 ; 其次 , 這 種驅(qū)動方式由于電路的復(fù)雜性會使用專用 PWM 芯片及更多元器件 , 所以實現(xiàn)成本很高 ; 第三 , 由 于晶體管一直工作在開關(guān)狀態(tài) , 在 EMI 方面會成 為比較棘手的問題 , 這種驅(qū)動方式產(chǎn)生的電磁干 擾最多 。3結(jié)語綜合上述分析 ,LED 的 3種驅(qū)動方式各有利 弊 , 設(shè)計燈具時應(yīng)根據(jù)燈具種類的實際使用情況 如 :燈腔溫度要求 、 發(fā)光一致性要求及成本控制方 面確定驅(qū)動方式 。 線性控制方式電路簡單 、 成本很低 , 但功耗大 、 熱量多 、 工作效率低 ;