AutomotiveLEDLighting解读.pdf

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1、 击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。2 LED 发光原理 LEDLight Emitting Diode 发光二极管，是一种能发光的半导体电子元件。LED发光是一种注入式电致发光。当给发光二极管加上正向电压后，从 P 区注入到 N 区的空穴和由 N 区注入到 P 区的电子，在 PN 结附近数微米内分别与 N 区的电子和 P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。而光的波长决定了光的颜色。发光波长：式中：h普朗克常数；c光速；半导体的禁带宽度半导体的禁带宽度。LED 发光原

2、理如图 1 所示：需要注意的是，LED 的发光亮度与其工作电流大小呈线性关系，即在 LED 电学性能允许的范围内，通过其的工作电流越大，LED 越亮。因此，电流的稳定性将影响其发光稳定性，故能够提供精确稳定的电流驱动电路是目前汽车 LED 的主流驱动模式。3 LED 主要电参数及其 V-I 特性 a 主要电参数：最大正向工作电流 IF：是指 LED 正常工作情况下，允许加在 LED 的最大的正向电 流值。最大浪涌电流 IFM：允许加在 LED 的最大的浪涌电流值。正向工作电压 VF：是在给定的正向电流下得到的二极管正向工作电压。最大反向电压 VR：LED PN 结所允许的最大反向电压。额定功率

3、 PD：允许加于 LED 两端正向直流电压与流过它的电流乘积的最大值。b V-I 特性曲线 控制 LED 的发光亮度，实际是控制发光密度，如上图所示，当加在 LED 两端的正向电压小于某一阀值时，电流极小，LED 不发光；当正向电压超过某一阀值后，正向电流随电压迅速增加，LED 发光。继续增加正向电压，电流将继续增加，LED 亮度不断增加，但不允许超过 LED 允许的最大正向电流 IF，否则 LED 将烧毁。此时电压和电流呈近似线性关系。三、汽车 LED 在实际电路中的连接方式及其特点 LED 在电路中的连接方式主要包括串联、并联、串并联混合三种连接方式。1 LED 串联 LED 串联连接方式

4、的特点是总压降等于所有 LED 压降之和，每颗 LED 电流相等。LED 串联如左下图所示：a 优点 LED 串联方式的优点是，在整个串联电路中 LED 电流处处相等，因为 LED 的生产过程存在着批次差异及个体差异的问题，当 LED 的一致性差别较大时，虽然加在不同的 LED 两端电压不同，但由于通过每颗 LED 的电流相同，LED 的亮度还是基本一致的。b 缺点 LED 的串联也存在显着的缺点，如果其中一个 LED 开路，那么所有的 LED 都不会工作。采用 LED 串联的形式要求 LED 驱动器输出相对较高的电压。通常，LED 驱动器输出电压越接近串联中总的前向电压，LED 驱动的效率越

5、高，但串联方式的 LED要求驱动电路输出的 LED 电压必须大于串联电路中总的 LED 前向电压，这也对系统效率稍有影响。c 故障模式 I 短路 串联情况下发生短路时，恒流控制不会出现问题，恒压控制则会停止工作。3 LED 串并联混合连接方式 在需要大量使用 LED 的产品中，如果仅采用 LED 串联的方式，将需要 LED 驱动电路输出较高的电压。如果仅采用 LED 并联的方式，则需要 LED 驱动电路输出较大的电流。将所有 LED 单纯地串联或并联，不仅限制了 LED 的用量，还将导致驱动电路的设计复杂程度提升，成本加大。通常情况下采用混联方式解决这个问题。混联的连接方式是在综合了串联形式和

6、并联形式的各自优点的基础上提出的，主要的形式有两种，先串联后并联(下图左)和先并联后串联(下图右)。a 优点 综合了串并联连接方式的优点，可靠性好，整体效率高。b 缺点 电路连接复杂，需考虑均流问题。c 故障模式:短路/断路 I 先串联后并联 当某一串联 LED 上有一颗短路时，不管采用稳压式驱动还是恒流式驱动，这串 LED 相当于少了一颗 LED,通过这串 LED 的电流将大增，很容易就会损坏这串 LED。大电流通过损坏的这串 LED 后，由于通过的电流较大，多表现为断路。断开一串 LED 后，如果采用稳压式驱动，驱动器输出电流将减小，而不影响余下所有 LED 正常工作。如果是采用恒流式 L

7、ED 驱动，由于驱动器输出电流保持不变，分配在余下 LED 上的电流将增大，容易导致余下的所有 LED损坏。解决办法是尽量多并联 LED,当断开某一颗 LED 时，分配在余下 LED 上的电流不大，不至于影响余下的 LED 正常工作。II 先并联再串联 当有一颗 LED 短路时，不管采用稳压式驱动还是恒流式驱动，并联在这一路 的 LED 将全部不亮。同时，由于驱动器输出电流保持不变，除了并联在短路 LED 的这一并联支路外，其余的 LED 正常工作。假设并联的 LED 数量较多，驱动器的驱动电流较大，通过这颗短路的 LED 电流将增大，大电流通过这颗 短路的 LED 后，很容易就变成断路。由于

8、并联的 LED 较多，断开一颗 LED 的 这一并联支路，平均分配电流不大，依然可以正常工作，那么所有 LED 灯仅 有一颗不亮。如果采用恒压式驱动，LED 短路瞬间，负载端相当于少了一路 并联 LED,加在其余 LED 上的电压增高，驱动器输出电流将大大增加，很有可 能立刻损坏所有 LED,也有可能只将这颗短路的 LED 烧成断路，驱动器输出电 流将恢复正常。由于并联的 LED 较多，断开一颗 LED 的这一并联支路平均后 的电流增量不大，依然可以正常工作，整个 LED 阵列也仅有一颗 LED 不亮。目前，混合连接的方式已经在汽车刹车灯、尾灯、转向灯中广泛应用。4 各类连接方式的优缺点比较

9、连接方式 优点 缺点 串联 电路简单，连接方便，驱动电压高(通常高于 16V)；高电磁辐射；高噪音；LED 点电流相同，亮度一致；LED 效率高；DC/DC 转换器，需要电感；设计面积大，应用成本高。可靠性不高，驱动器输出电压高；并联 电路简单，连接方便，驱动电压低(4.15V)；可以单独完成 LED亮度控制；低电磁辐射：低噪音；开关电容式 DC/DC 转换器，无需电感：设计面积小，鹿用成本低。可靠性高，但需考虑 LED 的均流问题；LED 效率较低；混合式连接 可靠性较好，驱动器的设计制造方便，总体效率较高，适用范围较广。电路连结较为复杂，并联的单个 LED 或 LED 串需要解决均流问题。

10、四、LED 的驱动方式 1 恒压驱动 恒压 LED 驱动电路，是输出电压基本恒定的。常用的恒压驱动电路可分为线性 LED恒压驱动电路和开关模式 LED 恒流驱动电路。线性恒压 LED 驱动电路比较简单，成本低，适合驱动低功率 LED，但电路效率比较低；开关模式恒压 LED 电路，比较起线性恒压电路效率比较高，可靠性好。由于 LED 伏安特性的非线性，很小的电压变化就会引起很大的电流变化，如果用恒压源直接驱动，LED 电流会随着 LED 负载电压的微小变化而发生急剧变化，甚至会烧毁 LED。因此在实际应用中，恒压驱动电源一般会在 LED 负载前接入电阻限流或恒流 LED 驱动电路。2 恒功率驱动

11、 恒功率驱动电路输出功率基本恒定。比较起恒压驱动，在同样的 LED 负载电压变化情况下，恒功率 LED 驱动有较好的恒流精度。恒功率驱动电路主要以开关电源的拓扑结构为基础，应用于 LED 驱动电路中，其优点是可以减小由于 LED 结温升高造成的光衰。在 LED 灯点亮后结温升高，特别是在LED 结温比较高的情况下，如果采用恒流驱动光通量输出将随着结温的升高而下降，也就是光衰现象。在恒功率驱动的情况下，随着 LED 结温的升高，负载 LED 的压降会降低，LED 的驱动电流会有所增加，由于驱动电流的增加 LED 光通量输出将增加，因此弥补了由于 LED 结温升高造成的光通量减少现象，从而减小了

12、LED 灯的光衰现象。3 交流驱动 随着 LED 材料技术，封装技术的不断进步，AC LED 已经问世并不断改进和发展。AC LED 是指交流电直接驱动 LED。一般来讲，AC LED 为了得到高电压而使用多个 LED芯片串联，并将两路 LED 反向并联，或者连同一些整流桥，电阻等其它电子元件封装在一起的模组。这种 AC LED 虽然操作简便（可直接交流电驱动）但频闪、总谐波失真以及 LED 灯珠的使用率等方面有待提高。4 恒流驱动 从一二三节中我们可以了解到，车用高亮度 LED 工作电流应该恒流稳定，以实现稳定理想的发光强度。用汽车蓄电池驱动LED需要DCDC转换器来准确调节LED电流，以确

13、保 LED 发光强度和颜色一致，并保护 LED。目前，恒流驱动模式是汽车LED 最理想的驱动方式。在现代汽车电子应用中，LED 驱动基本上都采用蓄电池供电，不能提供稳定的电压，不适合直接驱动 LED，因此，需要专门的驱动电路来点亮 LED。下面重点介绍 LED 常用的恒流驱动方式及其原理。a 电阻限流电路驱动方式 如下图所示，电阻限流驱动电路是最简单的驱动电路，限流电阻按下式计算，式中：VIN 为电路的输入电压；IF 为 LED 的正向电流；VF 为 LED 在正向电流为 IF 时的压降；VD 为防反二极管的压降(可选)；y 为每 LED 的数目：x 为并联 LED 的串数；其中，图中 Rx

14、为可选电阻。当电阻选定后，电阻限流电路的 IF 与 VF 的关系为：由式上式可知电阻限流电路结构简单，缺点是在输入电压变化时，通过 LED 的电流也会随着变化，因此调节性能较差。另外，由于电阻 R 的接入损失的功率为 xR*IF，因此效率不高。参考电路图：b 线性调节器驱动方式 线性调节器实质是通过工作于线性区的 MOSFET 或功率三极管作为一种动态可调电阻来控制输出。线性调节器分为并联型和串联型两种，电路原理图如下图所示：图 a 所示为并联型线性调节器又称分流调节器，它采用功率管与 LED 并联的形式，可以分流负载的一部分电流。分流调节器也同样需要串联一个限流电阻 Rsense，与电阻限流

15、电路相似。当输入电压增大时，流过负载 LED 上的电流增加，反馈电压增大使得功率管 Q 的动态电阻减小，流过 Q 的电流将会增大，这样就增大了限流电阻 Rsense 上的压降，从而使得 LED 上的电流和电压保持恒定。分流调节器同样由于串入了限流电阻，系统的效率不高，并且输入电压变化范围比较宽的情况下很难做到恒流输出。图 b 所示为串联型调节器，当输入电压增大时，使功率管的调节动态电阻增大，以保持 LED 上的电压(电流)恒定。由于功率三极管或 MOSFET 管都有一个饱和导通电压，因此，输入的最小电压必须大于该饱和电压与负载电压之和，电路才能正常工作，使得整个电路的电压调节范围受限。这种控制

16、方式与并联型线性调节器相比，由于少了串联的线性电阻，使得系统的效率较高。Opportunity：Products SPEC Function Opportunity Zener Diode 3-12V Vre 稳压 BZG05C series(Vishay)SMD Resistor 1%厚膜电阻 Rsense 反馈 CRCW series(Vishay)Al Cap 16V/35V,1uF-100uF 输入滤波 UUB series(Nichicon),MVE series(UCC)c 开关电源型驱动方式 开关电源型 LED 调节器是利用开关电源的原理进行 DCDC 直流变换的，其电路原理如下

17、图所示。根据不同的输入/输出电压场合，有四种不同的驱动电路 Buck、Boost、Buck-Boost(or Flyback)、Sepic：(d)Sepic LED Driver 开关电源作为 LED 驱动开关电源从结构上看，其优点是有 Boost、Buck 和Buck-Boost 等形式，都可以用于 LED 的驱动电路的设计，为了满足 LED 的恒流驱动，打破传统的反馈输出电压的形式，采用检测输出电流进行反馈控制，并且可以实现降压、升压和降压升压的功能，开关电源作为能量变换中效率最高的一种方式，效率可以达到 90以上。其明显的缺点是输出纹波电压大、瞬时恢复时间较慢，会产生电磁干扰(EMI)。

18、另外，价格偏高和外围器件复杂也是开关电源型驱动相对其他类型 LED 驱动的缺点。下面介绍适用于 LED 驱动的这三种基本的开关变换电路。I Buck 模式驱动 图(a)为Buck型LED驱动变换器电路，在结构上与传统的Buck变换器有所不同，为了方便开关管 M1 的驱动，M1 移到电感 L 的后面，使得 M1 源极接地。电路中 LED 与 L 串联，而续流二极管 D 与该串联电路反并联，该驱动电路不需要输出滤波电容，电路结构简单，降低了成本。但是，Buck 变换器是降压变换器，不适用于输入电压低或者多个 LED 串联的场合。Opportunity:Products SPEC Function

19、Opportunity TVS Diode 18V Vgs protect SMAJ18CA(Vishay),TPSMA6L18A(Littelfuse)Resistor 0.5%电流采样 WSL series(Vishay)Al Cap 16V/35V,1uF-100uF 输入/输出滤波,Fan UUB series(Nichicon),MVE series(UCC)Mosfet 25V/40V/60V,1-10A Boost/In-Output 开关管 Vishay SQJ series Inductor 10-50uH,1-10A Buck 电感/EMI 电感 Vishay IHLP/I

20、HLE series Schottky diode 25-60V，1-10A Buck Diode Vishay SS3X/SS5X series II Boost 模式驱动 图(b)为 Boost 型 LED 驱动变换器电路，在结构上与传统的 Boost 变换器结构 基本相似，只采用 LED 负载的反馈电流信号，以确保恒流输出。其不足是由于输出电容通常取得较小，LED 上的电流会出现断续。通过调节电流峰值和占空比来控制 LED 的平均电流，从而实现在低输入电压下对 LED 的恒流驱动。参考电路:Products SPEC Function Opportunity TVS Diode 18V

21、Vgs protect SMAJ18CA(Vishay),TPSMA6L18A(Littelfuse)Resistor 0.5%电流采样 WSL series(Vishay)Al Cap 16V-100V,1uF-100uF 输入/输出滤波,Fan UUB series(Nichicon),MVE series(UCC)Mosfet 25V-100V,1-10A Boost/In-Output 开关管 Vishay SQJ series -60V,1-3A Fan Control SQ9407EY Inductor 1-50uH,1-10A Boost 电感/EMI 电感 Vishay IHL

22、P/IHLE series Schottky diode 25-100V，1-10A Boost Diode Vishay SS2X/SS3X/SS5X series III Buck-Boost(Flyback)模式驱动 上图(c)为 Buck-Boost 型 LED 驱动变换器电路，在结构上与 Buck 电路相似，为了方便 M1 的驱动，M1 的源极可以直接接地。Boost 和 Buck-Boost 变换器虽然比 Buck 变换器多一个电容，但是，它们都可以通过控制 LED 的峰值电流及占空比，提升输出电压的绝对值，来调节 LED 的平均电流，以达到调节 LED亮度的目的。因此，在输入电压

23、低，并且需要驱动多个 LED 时应用较多。通过上述对 LED 的 DCDC 驱动电路的分析可知，电阻限流驱动方式中，调整与 LED 串联的电流检测电阻，即可控制 LED 的正向电流，易于设计、成本低，且没有电磁兼容(EMC)问题，但适用于输入电压要求低应用场合，不适用于汽车供电电压范围较宽的条件，依赖于电压、需要筛选 LED，且能效较低，而且大功率 LED 驱动电流大，会在电阻上产生大量的损耗，降低效率。线性恒流驱动电路易于设计且没有 EMC 问题，而且电路元件少、结构简单、恒流精度高、成本低、对负载和电源的变化响应迅速、低噪声特性等优点，不足在于功率耗散问题，要求较大尺寸的散热器，占用空间大

24、，线性调节器对电源电压及LED 负载变化的适应性差，仅能工作在降压状态，不能工作在升压状态，即电源电压必须高于 LED 工作电压。而开关电源驱动通过 PWM 控制模块不断控制开关的开和关，进而控制电流的流动，具有高效、能够提供多种拓扑结构、降低驱动 LED 的半导体的功耗以及减少向 LED 传热等优势。参考电路:Opportunity：Products SPEC Function Opportunity TVS Diode 18V Vgs protect SMAJ18CA(Vishay),TPSMA6L18A(Littelfuse)Current sense Resistor 0.5%电流采样

25、 WSL series(Vishay)Al Cap 16V-100V,10uF-100uF 输入/输出滤波 UUB series(Nichicon),MVE series(UCC)Mosfet 25V-100V,1-10A Flyback/In-Output 开关管 Vishay SQJ series-60V,1-3A Fan Control SQ9407EY Inductor 1-50uH,1-10A Boost 电感/EMI电感 Vishay IHLP/IHLE series Schottky/ULTRAFAST diode 25-100V，1-10A 续流 Vishay SS2X/SS3

26、X/SS5X(Schottky)series ES3B/3C(Ultrafast)d Sepic 驱动 e 开关电源驱动模式电路选择 一般而言，高亮度 LED 的正向电压降一般为 2.63.8 V，正向电流为 350400mA.白光 LED 的正向电压降为 33.8 V，典型值为 3.5 V，正向电流 IF 达到 350 mA。红、黄 LED 正向电压降为 22.6 V，VF 取 2.3V，正向电流为 400mA；纯绿、蓝色LED 正向电压降为 33.8 V，VF 取 3.5V，正向电流为 350mA。因此首先可以根据选用的 LED 连接方式计算出驱动电路所需的总电压和电流。在汽车 LED 驱

27、动电路设计中，应采用哪种 DC/DC 转换器(拓扑电路)取决于 LED 驱动电压与汽车蓄电池电压之间的大小关系，依此来决定采用降压、升压还是降压一升压型拓扑电路，采用的拓扑电路必须能在整个蓄电池电压范围内控制 LED 电流，并使其保持恒定输出。I对于输出电压小于输入电压的系统，可以采用降压拓扑电路。降压拓扑电路是基于开关转换器的 LED 驱动电路的首选电路，其结构简单、外围元器件少、适合恒流输出以及控制各种集成电路(IC)。此种拓扑结构一般适用在汽车车内顶灯、化妆灯、阅读灯、后备箱照明等内部照明及门槛灯、“水坑”灯等外部照明。II对于输出电压大于输入电压的系统，应该采用升压拓扑电路。升压拓扑电

28、路虽 然不太适合驱动 LED，但是由于采用单独的感应器和两个电源开关，和降压拓扑电路一样，它们的效率很高。此种拓扑结构一般适用在汽车转向灯应用中。III对于输入电压和输出电压的范围重叠，则需要降压升压拓扑电路。这种类型的拓扑电路是电气驱动电路设计可以采取的最后一种拓扑电路。但是，由于受温度和工艺的影响，同时面对输入电压范围和允许误差与 LED 的 VF 的允差时，一般不选择这种最困难的方法，并且外围使用元件多，且效率不高，而且比另外两种拓扑电路更难设计。考虑到汽车蓄电池实际的供电特点，适合应用于汽车外部刹车灯、尾灯和前灯。f LED 集成驱动电路 高亮 LED 应用于汽车车灯照明系统是近年来汽车电子领域发展的一大亮点，由 于 LED 的普遍应用，对应的驱动 IC 也出现了巨大的需求量，目前世界上许多著名的 IC 设计生产公司均推出 LED 驱动 IC。目前，LED 专用驱动芯片生产厂家主要以 MAXIM(美芯)、TOSHIBA(东芝)、MELEXIS、TI(德州仪器)、SONY(索尼)、SITI(点晶科技)等为代表。由驱动 IC 设计的汽车 LED 驱动电路已经成为汽车照明研究的热点。