如何實(shí)現(xiàn)汽車電子中LED照明電源的設(shè)計(jì)？

自上世紀(jì)90 年代白色LED 的出現(xiàn)開(kāi)始,其亮度增大趨勢(shì)是如此之快,以至于我們都把它們視為21世紀(jì)的光源?，F(xiàn)在我們使用白色LED 作為汽車前照燈的光源,這樣它們的優(yōu)越性就可以得到充分的展示。這種新系統(tǒng)比通常使用的鹵鎢燈要明亮,與HID頭燈的亮度差不多。但是考慮到LED 光源特有的優(yōu)越性,比如重量輕、安裝深度小、耗能低、壽命更長(zhǎng)、沒(méi)有環(huán)境污染等,它們的確更適合作為下一代汽車前照燈系統(tǒng)的光源。此外,白色LED 的使用還可以使整個(gè)車的設(shè)計(jì)變得更加靈活?，F(xiàn)在我們正在進(jìn)行白光LED 汽車前照燈的研發(fā)工作,以充分展示它們的優(yōu)越性。

1 　白光LED 的現(xiàn)狀

1.1 　白光LED 的原理

白光LED 有幾種不同的工作原理,表1 展示了3種典型的原理。表la 中的“藍(lán)光LED + $熒光粉”

型是是白光LED 發(fā)展的最高水平,它最有可能被用在第一代LED 汽車前照燈系統(tǒng)中。表1b 中的“紫外線LED + 紅綠藍(lán)三色熒光粉”型因其高的顯色指數(shù)而最有潛力作為通常的照明系統(tǒng)用燈,但作為前照燈系統(tǒng)使用時(shí)還應(yīng)研究如何克服紫外光對(duì)塑料的老化作用。表1c 中的“紅綠藍(lán)三芯片”型有改變發(fā)光顏色的性能,但它目前仍然不能在前照燈系統(tǒng)中使用,因?yàn)楹茈y克服它在使用過(guò)程中顏色的改變,這種顏色改變可能來(lái)自3 種芯片溫度特性的不同,也可能來(lái)自不同LED 的損耗退化速度。

在汽車或汽車中，LED已發(fā)展成為照明的首選。無(wú)論是后尾燈還是儀表盤中的指示燈，如下圖 1 所示，如今都集成了LED。其緊湊的尺寸有助于設(shè)計(jì)的多功能性，并提供與車輛預(yù)期壽命本身一樣耐用的期望。

在汽車或汽車中，LED已發(fā)展成為照明的首選。無(wú)論是后尾燈還是儀表盤中的指示燈，如下圖 1 所示，如今都集成了LED。其緊湊的尺寸有助于設(shè)計(jì)的多功能性，并提供與車輛預(yù)期壽命本身一樣耐用的期望。

LED實(shí)際上是一個(gè)P型N型(PN)結(jié)二極管，它允許電流僅在一個(gè)方向上通過(guò)它。一旦 LED 兩端的電壓達(dá)到最小正向電壓(VF)，電流就開(kāi)始流動(dòng)。

LED的照明水平或亮度由正向電流(IF)決定;而 LED 消耗的電流取決于施加在 LED 上的電壓。

盡管LED亮度和正向電流IF是線性相關(guān)的，但即使LED兩端的正向電壓VF略有增加，也會(huì)引發(fā)LED電流攝入的快速增加。

具有不同顏色規(guī)格的 LED 由于其特定的半導(dǎo)體成分而具有不同的 VF 和 IF 規(guī)格(圖2)。有必要考慮每個(gè)LED的數(shù)據(jù)表規(guī)格，特別是在單個(gè)電路中應(yīng)用不同顏色的LED時(shí)。

圖 #2

例如，當(dāng)使用紅綠藍(lán) (RGB) 照明進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，紅色 LED 的正向電壓額定值可能約為 2 V，而藍(lán)色和綠色 LED 的額定電壓可能在 3 至 4 V左右。

考慮到您采用單個(gè)公共電源操作這些 LED，您可能需要為每個(gè)彩色 LED 配備一個(gè)計(jì)算良好的限流電阻，以避免 LED 劣化。

熱效率和功率效率

除了電源電壓和電流參數(shù)外，溫度和功率效率同樣需要仔細(xì)分析。雖然，施加在LED上的大部分電流被轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ED光，但少量功率在器件的PN結(jié)內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱量。

LED結(jié)上產(chǎn)生的溫度可能會(huì)受到一些外部參數(shù)的嚴(yán)重影響，例如：

通過(guò)大氣溫度(TA)，

通過(guò)LED結(jié)和環(huán)境空氣之間的熱阻(RθJA)，

以及功耗 (PD)。

以下公式1揭示了LED的功耗規(guī)格PD：

PD =VF × IF ------------方程 #1

借助上述方法，我們可以進(jìn)一步推導(dǎo)出以下計(jì)算LED結(jié)溫(TJ)的方程：

TJ = TA + RθJA × PD ---------- 方程 #2

不僅在正常工作條件下，而且在設(shè)計(jì)的絕對(duì)最高環(huán)境溫度TA下，對(duì)于最壞情況的關(guān)注，確定TJ至關(guān)重要。

隨著LED結(jié)溫TJ的升高，其工作效率下降。LED 的正向電流 IF 和結(jié)溫 TJ 必須保持在數(shù)據(jù)手冊(cè)分類的絕對(duì)最大額定值以下，以防止損壞(圖

3)。

圖 #3

除了LED，您還應(yīng)考慮電阻和驅(qū)動(dòng)元件(如BJT和運(yùn)算放大器)的功率效率，特別是隨著分立元件數(shù)量的增加。

驅(qū)動(dòng)器級(jí)的電源效率不足、LED導(dǎo)通時(shí)間和/或環(huán)境溫度所有這些因素都可能導(dǎo)致器件溫度升高，影響B(tài)JT驅(qū)動(dòng)器的電流輸出，并降低LED的VF降。

隨著溫度的升高降低LED的正向壓降，LED的電流消耗率上升;導(dǎo)致功率耗散PD和溫度成比例增加，這導(dǎo)致LED的正向壓降VF進(jìn)一步降低。

這種溫度持續(xù)上升的循環(huán)，也稱為“熱失控”，迫使LED在最佳工作溫度以上工作，導(dǎo)致快速退化，并在某個(gè)時(shí)候器件發(fā)生故障，因?yàn)橹蓄l消耗水平增加。

線性 LED 驅(qū)動(dòng)器

通過(guò)晶體管或IC線性操作LED實(shí)際上非常方便。在所有可能性中，控制LED的最簡(jiǎn)單方法通常是將其直接連接到電源電壓源(VS)。

使用合適的限流電阻可限制器件的電流消耗，并固定LED的精確壓降。以下公式3可用于計(jì)算串聯(lián)電阻(RS)值：

借助上述方法，我們可以進(jìn)一步推導(dǎo)出以下計(jì)算LED結(jié)溫(TJ)的方程：

TJ = TA + RθJA × PD ---------- 方程 #2

不僅在正常工作條件下，而且在設(shè)計(jì)的絕對(duì)最高環(huán)境溫度TA下，對(duì)于最壞情況的關(guān)注，確定TJ至關(guān)重要。

隨著LED結(jié)溫TJ的升高，其工作效率下降。LED 的正向電流 IF 和結(jié)溫 TJ 必須保持在數(shù)據(jù)手冊(cè)分類的絕對(duì)最大額定值以下，以防止損壞(圖

3)。

圖 #3

除了LED，您還應(yīng)考慮電阻和驅(qū)動(dòng)元件(如BJT和運(yùn)算放大器)的功率效率，特別是隨著分立元件數(shù)量的增加。

驅(qū)動(dòng)器級(jí)的電源效率不足、LED導(dǎo)通時(shí)間和/或環(huán)境溫度所有這些因素都可能導(dǎo)致器件溫度升高，影響B(tài)JT驅(qū)動(dòng)器的電流輸出，并降低LED的VF降。

隨著溫度的升高降低LED的正向壓降，LED的電流消耗率上升;導(dǎo)致功率耗散PD和溫度成比例增加，這導(dǎo)致LED的正向壓降VF進(jìn)一步降低。

這種溫度持續(xù)上升的循環(huán)，也稱為“熱失控”，迫使LED在最佳工作溫度以上工作，導(dǎo)致快速退化，并在某個(gè)時(shí)候器件發(fā)生故障，因?yàn)橹蓄l消耗水平增加。

線性 LED 驅(qū)動(dòng)器

通過(guò)晶體管或IC線性操作LED實(shí)際上非常方便。在所有可能性中，控制LED的最簡(jiǎn)單方法通常是將其直接連接到電源電壓源(VS)。

使用合適的限流電阻可限制器件的電流消耗，并固定LED的精確壓降。以下公式3可用于計(jì)算串聯(lián)電阻(RS)值：

RS = VS - VF / IF ---------- 等式 #3

參考圖 #4，我們看到 3 個(gè) LED 串聯(lián)使用，VF 計(jì)算應(yīng)考慮 3 個(gè) LED 上的整個(gè)壓降 VF(LED 的正向電流 IF 保持不變)。

LED是一種高效環(huán)保的新型半導(dǎo)體光源，有其它光源無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。在未來(lái)汽車照明應(yīng)用中前景光明。LED 可以用串聯(lián)、并聯(lián)等不同的方式組合成LED 陣列，以滿足汽車照明強(qiáng)度的要求。針對(duì)LED 的發(fā)光特性，重點(diǎn)討論了LED 驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)，同時(shí)簡(jiǎn)述了LED 目前存在的問(wèn)題及解決方法。

1、汽車車燈作用及要求

目前，汽車日趨平民化，已成為主要交通工具，行車安全引起了社會(huì)廣泛的關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，汽車在夜晚或自然光線不足的情況下行駛的里程占總行駛里程的25%，而在此間發(fā)生的交通事故占到總事故的40%，并且一半以上的傷亡事故發(fā)生在夜間。因此，車外照明燈及信號(hào)燈是汽車安全行駛的關(guān)鍵部件，必須滿足下列條件：

(1)汽車照明燈點(diǎn)亮無(wú)延遲，響應(yīng)時(shí)間更快，給駕駛員更多的反應(yīng)時(shí)間。

(2)照明亮度強(qiáng)，在夜間或自然光線不足的情況下提高駕駛員的視野，同時(shí)使車外信號(hào)燈的指示作用更強(qiáng)。

(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)節(jié)能，能夠有效減少?gòu)U氣的排放量，保護(hù)環(huán)境。

(5)基于汽車銷售競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，車燈設(shè)計(jì)要實(shí)用和美觀。

2、LED 成為汽車照明選材中的新星

2.1 LED 的工作原理

LED 是特殊的二極管，是一種通過(guò)摻雜等手段形成PN 結(jié)的半導(dǎo)體器件。當(dāng)滿足二極管導(dǎo)通條件時(shí)，電流流過(guò)LED，以光和熱的形式釋放出能量。LED 是電流控制的電流型元件，其發(fā)光強(qiáng)度主要依據(jù)通過(guò)的電流大小，正向?qū)〞r(shí)，其壓降非常高，而且本身具有一定的波動(dòng)范圍。

由于LED 沒(méi)有紅外線及紫外線的輻射，其消耗的能量除轉(zhuǎn)換為光能外，幾乎都是熱能，且只能以熱傳導(dǎo)的形式傳出，因此，LED 在工作時(shí)，結(jié)溫會(huì)逐漸升高。而LED 是具有負(fù)溫度系數(shù)的器件，流過(guò)LED 的電流會(huì)隨溫度升高而增大，這就形成了正反饋，造成結(jié)溫的進(jìn)一步升高，如不加控制，就會(huì)燒毀LED。LED 的熱學(xué)參數(shù)與PN 結(jié)的結(jié)溫有很大關(guān)系，主波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系如下式：

mp(Tl) = m0(T0)+ 3Tg #0.1nm/°C

由上式可知，每當(dāng)LED 結(jié)溫升高10℃時(shí)，主波長(zhǎng) ( 人眼能夠觀察到的) 就會(huì)向長(zhǎng)波漂移1nm(1nm=10-9m)，導(dǎo)致LED 亮度下降，出現(xiàn)光衰。因此， 個(gè)別LED 過(guò)熱，就會(huì)造成LED 陣列發(fā)光的均勻性變差。

2.2 LED 顯著的照明優(yōu)勢(shì)

LED 被稱為新光源，原因在于LED 具備點(diǎn)光源與固態(tài)光源的特性，因此具有其它照明光源無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

(1)LED 壽命理論上可達(dá)10 萬(wàn)小時(shí)， 實(shí)際壽命也可達(dá)到2 萬(wàn)小時(shí)以上，比一般白炙燈泡的1 000 小時(shí)、日光燈具的1 萬(wàn)小時(shí)更具優(yōu)勢(shì)，在汽車使用壽命期間一般無(wú)須更換。

(2)點(diǎn)亮無(wú)延遲，響應(yīng)時(shí)間更快。LED 的啟動(dòng)時(shí)間僅為幾十納秒，啟動(dòng)時(shí)間較白熾燈泡大大縮短。

(3)在光線亮度高、自然光線可見(jiàn)度低的情況下，大大降低汽車事故發(fā)生率;基本上無(wú)輻射，屬于“綠色光源”。

(4)LED 占用體積小， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高耐震，設(shè)計(jì)者可以隨意變換燈具模式，令汽車造型多樣化，滿足不同消費(fèi)者需求。

(5)LED 光源受電壓變化的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于白熾燈泡，顯示了卓越的安全性和可靠性，同時(shí)消耗的能量較同光效的白熾燈減少80%，非常節(jié)能。

基于上述優(yōu)勢(shì)，LED 可以在汽車照明中廣泛應(yīng)用，但單個(gè)LED 無(wú)法滿足汽車照明強(qiáng)度的要求，必須多個(gè)串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)成LED 陣列使用，如圖1 所示。