汽車LED照明系統(tǒng)的挑戰(zhàn)和解決方案

一直以來(lái)，汽車的剎車燈、轉(zhuǎn)向信號(hào)燈、倒車燈以及車尾霧燈都采用21W到27W、亮度為280至570流明的鎢絲燈泡作為光源。車尾燈、泊車燈、車側(cè)顯示燈以及轉(zhuǎn)向信號(hào)閃燈采用4W至10W、亮度為40至130流明的鎢絲燈泡，汽車頭燈則采用高亮度的氙氣熒光管（HID）。但在汽車照明中，越來(lái)越多地采用LED作為光源。尾部中央高位剎車燈是最早采用LED的汽車燈。另外，在車燈市場(chǎng)上，其他車外照明和指示燈如剎車燈、轉(zhuǎn)向信號(hào)燈以及車內(nèi)照明燈都已改用LED燈泡。近年來(lái)，車外照明燈，如白天行車燈（DRL），以及車頭近光燈都開始改用LED燈泡。預(yù)計(jì)汽車大燈也會(huì)很快改用高亮度LED燈。此外，在車身內(nèi)部，一些車內(nèi)顯示器的背光也開始采用LED作為光源，如儀表盤以及TFT顯示器。
汽車LED照明系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

白光LED的色溫約為6000K，視覺(jué)上幾乎等同于自然光。由于人眼區(qū)分顏色的能力在自然背景條件下是最好的。在晚上，人眼只有在自然的色彩情況下，對(duì)景物或馬路邊沿才有很好的區(qū)分能力。

LED燈的平均壽命比鎢絲燈以及高亮度熒光燈管長(zhǎng)，而且更加穩(wěn)定可靠。如可以減少出故障的幾率，同時(shí)無(wú)需頻繁地更換燈泡，省卻了很多麻煩。而且采用LED可以節(jié)省更多的能源。LED燈外形更小，更容易裝入燈座內(nèi)，在占用更少空間的同時(shí)，更容易配合時(shí)尚的燈飾設(shè)計(jì)。更為重要的是，LED剎車燈的啟動(dòng)速度更快。LED剎車燈的點(diǎn)亮?xí)r間僅為50ms左右，比鎢絲燈泡的啟動(dòng)時(shí)間快大約250ms，從而降低了被尾隨車輛碰撞的危險(xiǎn)。另外，LED是固態(tài)光源，可以承受更大的震動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)LED燈的技術(shù)要求

由于LED的亮度與流過(guò)的電流成正比，所以需要恒定的電流源來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。在任何情況下，流過(guò)LED的電流要保持恒定，才能確保LED亮度的一致性。另外還需要在任何情況下都能將紋波電流控制在可接受的水平。所以說(shuō)LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)屬于電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是恒流輸出而非恒壓輸出。

在LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中，必須增加阻塞電路，為防止電源反向操作提供保護(hù)。我們會(huì)遇到的另外一個(gè)挑戰(zhàn)是要在汽車?yán)鋯?dòng)或負(fù)載斷電的情況下確保LED能夠正常工作。在正常操作的情況下，小轎車的電池供電電壓介于9V與16V之間（例如12V系統(tǒng)總線），而大貨車的電池供電電壓則介于18V與32V之間（例如24V系統(tǒng)總線）。在出現(xiàn)負(fù)載斷電或冷啟動(dòng)的情況時(shí)，電池的輸入電壓范圍會(huì)與正常的范圍有很大的出入。

在發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間，如果電池的供電被突然截?cái)啵藭r(shí)發(fā)電機(jī)會(huì)繼續(xù)發(fā)電，使用發(fā)電機(jī)供電的電容等用電部分就會(huì)出現(xiàn)電壓突然增高的現(xiàn)象，如果不采取保護(hù)措施，將會(huì)損壞用電器。如果LED的驅(qū)動(dòng)不是恒流驅(qū)動(dòng)，LED的電流就會(huì)有所變化，造成LED的亮度變化，這就是為什么目前的汽車燈會(huì)存在閃爍現(xiàn)象。下面是一個(gè)負(fù)載斷電測(cè)試的一個(gè)定義，用來(lái)模仿負(fù)載突斷的一些情形。不同的汽車廠商采用不同的標(biāo)準(zhǔn)，因此負(fù)載斷電測(cè)試的定義也各不相同，圖1只是其中一個(gè)案例。

圖1 負(fù)載斷電測(cè)試的定義

盡管負(fù)載突降會(huì)造成負(fù)載電壓升高，但大部分先進(jìn)的交流發(fā)電機(jī)都配備了中央控制式負(fù)載斷電箝位電路。12V總線系統(tǒng)的參考電平會(huì)被限制在35V到42V之間，而24V總線系統(tǒng)的參考電平會(huì)被鉗定在50V到60V之間。

在天氣寒冷的時(shí)候，啟動(dòng)裝置會(huì)令電池供電電壓大幅下跌，圖2顯示“冷啟動(dòng)”測(cè)試的典型波形。

圖2 “冷啟動(dòng)”測(cè)試的典型波形

由于LED驅(qū)動(dòng)器的輸入供電端連接電池的輸入端，因此像剎車燈這類涉及駕駛安全的汽車燈必須不受負(fù)載斷電及冷啟動(dòng)的影響，甚至必須能夠在這種情況下繼續(xù)正常運(yùn)行。在典型的情況下，12V總線系統(tǒng)的輸入范圍為6V到42V，24V總線系統(tǒng)的輸入電壓范圍為12V到60V。

LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)

電阻限流是LED驅(qū)動(dòng)方法之一，其優(yōu)點(diǎn)是成本較低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是電流會(huì)隨著正向電壓和驅(qū)動(dòng)電壓的不同而改變，所以LED發(fā)出的亮度會(huì)改變。當(dāng)電池電壓比較高時(shí)，驅(qū)動(dòng)的效率很差，因?yàn)榇藭r(shí)大部分的功率會(huì)消耗在電阻上。此外，限流電阻會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，導(dǎo)致散熱的問(wèn)題。所以這是一個(gè)簡(jiǎn)單、但并不是一個(gè)最高效的方法。

第二種方法是線性穩(wěn)流器，也叫恒流源。它的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、電流恒定；缺點(diǎn)是效率很低，而且隨著輸入電壓的升高，線性芯片承載的壓降也就越大，所以線性芯片也會(huì)產(chǎn)生很大的熱量。但它改善了電阻限流方法中電流波動(dòng)的缺點(diǎn)。

除了以上兩種方法，還有一種開關(guān)電源式的驅(qū)動(dòng)方法。表1是三種不同方法的比較，用開關(guān)電源作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)的方法具有很高的效率，而且電流恒定。由于開光電源轉(zhuǎn)換器的效率較高，因此被越來(lái)越多的車燈生產(chǎn)商使用。其最大的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)線路要復(fù)雜些，而且成本相對(duì)較高。

表1 三種LED驅(qū)動(dòng)方法比較

用于高亮度汽車燈的升壓/降壓LED驅(qū)動(dòng)器

汽車照明中為什么要用到升壓/降壓LED驅(qū)動(dòng)器呢？這是因?yàn)殡姵仉妷菏遣▌?dòng)的，在電壓波動(dòng)時(shí)，我們需要保持流過(guò)LED的電流恒定，升壓/降壓LED驅(qū)動(dòng)器可以確保無(wú)論輸入電壓高于還是低于輸出電壓，電流都能保持恒定。這保證了在負(fù)載斷電和冷啟動(dòng)的時(shí)候，和安全有關(guān)的照明燈可以保持恒定的亮度。另外，多樣化的LED汽車照明應(yīng)用也需要不同的LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。部分汽車燈生產(chǎn)商希望能夠有一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)平臺(tái)可以適用于不同燈光系統(tǒng)的不同LED配置。升壓/降壓LED驅(qū)動(dòng)器是大部分高亮度汽車燈光系統(tǒng)的理想驅(qū)動(dòng)器解決方案。

LM3423（圖3）是NS公司一款升壓/降壓LED驅(qū)動(dòng)器芯片，它不僅可以提供快速的調(diào)光控制、可靠的保護(hù)和故障顯示等功能，還可以配置升壓、浮動(dòng)降壓及浮動(dòng)的升壓/降壓LED驅(qū)動(dòng)器，滿足不同的LED車載驅(qū)動(dòng)的要求。

圖3 LM3423升壓/降壓應(yīng)用原理圖

用于LED背光系統(tǒng)的升壓LED驅(qū)動(dòng)器

在一般的應(yīng)用情況下，我們都會(huì)采用升壓恒流LED驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)多串?dāng)?shù)量較多的LED，采用這種配置的LED背光系統(tǒng)可為汽車儀表板及導(dǎo)航系統(tǒng)顯示器提供背光。另外，汽車儀表板顯示器必須加設(shè)調(diào)光控制功能，以便控制LED背光燈的亮度。如在周圍環(huán)境較光亮?xí)r可以調(diào)高亮度，而在周圍環(huán)境較暗時(shí)，可以調(diào)低亮度，以防駕駛者的眼睛無(wú)法適應(yīng)急劇的亮度轉(zhuǎn)變，影響駕駛安全。此外，具有PWM調(diào)光功能的控制器必須具有很好的對(duì)比度，即具有很好的線性調(diào)整度。

PWM信號(hào)是串脈沖信號(hào)，我們可以通過(guò)切換電流開關(guān)來(lái)控制脈沖的發(fā)射，令LED發(fā)出超過(guò)100Hz的閃光，這樣在視覺(jué)上我們就會(huì)覺(jué)得亮度已減，因?yàn)槿搜蹠?huì)將亮度過(guò)濾/平均化。調(diào)光功能的好壞是通過(guò)調(diào)光的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如果器件的占空比很小，那么調(diào)光的范圍就會(huì)較大，具有更好的線性度。通常有兩種方法：一種是模擬的信號(hào)調(diào)光，另一種是PWM信號(hào)的調(diào)光。由于模擬調(diào)光是通過(guò)改變LED的電流實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)LED的電流改變的時(shí)候，LED的顏色也會(huì)發(fā)生變化，所以我們通常會(huì)選用PWM調(diào)光作為亮度控制方法。采用這種方法時(shí)，LED要么導(dǎo)通，要么關(guān)斷，不會(huì)使LED的顏色發(fā)生變化。

LM3423可支持快速調(diào)光控制以及“0”停機(jī)電流功能，適用于汽車導(dǎo)航系統(tǒng)顯示器以及儀表板的LED背光系統(tǒng)（圖4）。它可以確保流過(guò)每個(gè)燈的電流是一致的，在LED下方串接了一個(gè)MOS管作為調(diào)光控制的開關(guān)。其中，nDIM引腳負(fù)責(zé)執(zhí)行輸入欠壓鎖定以及PWM調(diào)光功能。每當(dāng)輸入PWM信號(hào)時(shí)，DDRV引腳便會(huì)驅(qū)動(dòng)DIM N-FET，命令串聯(lián)在一起的LED進(jìn)行快速開關(guān)，以便控制亮度，調(diào)光控制頻率可以高達(dá)50kHz。  

圖4 LM3423升壓LED驅(qū)動(dòng)器

圖5中展示的是調(diào)光效果對(duì)比，可以看到，在很低的占空比條件下，可以保持同樣的開關(guān)，流過(guò)LED的電流是恒定的。圖中顯示的調(diào)光占空比是0.5%，輸入電壓為12V，LED的電流為100mA，驅(qū)動(dòng)的數(shù)目為每串10個(gè)LED。這里的調(diào)光頻率選擇的是230Hz，當(dāng)周圍環(huán)境的亮度變暗時(shí)，汽車顯示器的LED背光便會(huì)調(diào)低燈光的亮度。如果占空比很小，那么亮度就可以調(diào)得很低，在環(huán)境亮度很暗的時(shí)候，就不會(huì)覺(jué)得儀表盤的亮度很刺眼。

圖5 LM3423調(diào)光控制效果對(duì)比

使用傳統(tǒng)的升壓模式的驅(qū)動(dòng)器時(shí)會(huì)面臨一個(gè)問(wèn)題：不管控制器驅(qū)動(dòng)工作與否，其輸入和輸出之間都一個(gè)通路，這種情況下，輸入端的電池會(huì)對(duì)負(fù)載有個(gè)直流的通路，會(huì)造成漏電。當(dāng)用于車載照明時(shí)，汽車在長(zhǎng)時(shí)間不用的時(shí)候，有這個(gè)通路就會(huì)對(duì)電池進(jìn)行放電。再次啟動(dòng)車輛時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)電池沒(méi)電了。另外一個(gè)問(wèn)題是，輸出端出現(xiàn)短路的時(shí)候，會(huì)對(duì)電池進(jìn)行放電。即使主開關(guān)已經(jīng)關(guān)閉，也不會(huì)對(duì)輸出端的漏電產(chǎn)生影響。針對(duì)這種情況，要在輸出端加入保險(xiǎn)絲，防止出現(xiàn)短路。利用LM3423可以解決這個(gè)問(wèn)題，有效延長(zhǎng)電池的使用壽命。若LED串與地連接，形成短路，由FLT引腳負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)的輸入端P-FET會(huì)隨即被關(guān)閉，從而令輸入路徑成為開路，避免了漏電問(wèn)題。