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汽车LED照明驱动电路设计实例
LED汽车照明驱动电路的设计
摘要:
论文介绍了LED照明驱动电路的设计原理。
基于芯片MAX16807和Boost升压电路设计了一款汽车LED照明恒流驱动电路,并详细描述驱动电路的设计过程。
电路采用通用的集成芯片,结构简单,完成了一个高性能的车用LED恒流驱动电路,具有闪光频率稳定、恒流输出、电流精度高、动态响应快、纹波小、噪声低以及LED开路检测和保护功能,可应用于汽车高亮度LED照明系统中。
引言
纵观整个汽车的发展历史,汽车照明技术始终扮演着重要角色。
起初,汽车仅需要前照灯,以便在黑暗中行驶时看清道路。
在车辆日益增多、车速不断提高的形势下,汽车照明仅是瞻前已经不够,还需左顾右盼和免除后顾之忧,为了安全以及更好地协调不断增长的交通流量,汽车又增加了各种照明、信号灯具,如尾灯、行车灯、刹车灯、转向灯、后雾灯等.警示灯和雾灯是在极端的情况下提供特殊功能,为避免夜晚行车的追尾或转弯时的相撞起了关键性作用。
在汽车照明技术的发展中,随着汽车行驶的需求不断提升,汽车前照灯又发展成近光灯、远光灯、前雾灯等多种灯种.而汽车内部照明灯具,如仪表板、顶灯、地图灯、开门灯等为驾驶员和乘客提供了便利。
一、LED与驱动器的匹配
LED已经广泛应用于照明、装饰类灯产品,在设计LED照明系统时,需要考虑选用什么样的LED驱动器,以及LED作为负载采用的串并联方式,合理的配合设计,才能保证LED正常工作。
LED作为驱动电路的负载,经常需要几十个甚至上百个LED组合在一起构成发光组件,LED负载的连接形式直接关系到其可靠性和使用寿命。
设计中选择LED驱动电路时,一般考虑成本和性能因素。
系统设计的一个约束条件是可用的电功率和电压,其他约束
条件还包括功能特性,例如针对环境光线作出调整。
(一)基本配置
最基本的一种拓扑是单个LED。
采用这种设计的应用实例有汽车内顶灯(地图灯、阅读灯)等。
(二)LED采用全部串联方式
串联方式驱动LED因经过所有LED的驱动电流都是相同的(假设LED被适当的分档),这种配置可以保证颜色和亮度达到最接近的匹配度.在这种情况下,必须注意整个串联串中
的输入电压以及它和正向电压降(VF)之间的关系.这将决定驱动LED的功率拓扑,这方面的应用实例包括闪光灯、汽车尾灯、刹车灯等。
LED采用全部串联方式如图1所示,即将多个LED的正极对负极连接成串,其优点是通过每个LED的工作电流一样,一般应串入限流电阻R,要求LED驱动器输出较高的电压。
当LED的一致性差别较大时,分配在不同的LED两端的电压不同,因通过每只LED的电流相同,所以每只LED的亮度是一致的.
图1LED采用全部串联方式
当某一只LED品质不良短路时,如果采用稳压式驱动(如常用的阻容降压方式,由于驱动器输出电压不变,那么分配在剩余的LED两端的电压将升高,驱动器的输出电流将增大,容易损坏余下的所有LED。
如采用恒流式驱动LED,当某一只LED品质不良短路时,由于驱动器输出电流保持不变,不影响余下的所有LED正常工作。
当某一只LED品质不良断开后,串联在一起的LED将全部不亮。
解决的办法是在每个LED两端并联一个稳压管,如图2所示。
当然稳压管的导通电压需要比LED的导通电压高,否则LED就不亮了。
或采用ADDtek的LED保护器A716、AMC7169和A720,额定电流分别是350mA、500mA和700mA。
采用ADDtek保护器的电路如图3所示,使用时将其与LED并联。
图2LED两端并联稳压管
图3采用ADDtek保护器的电路
串联方式能确保各只LED电流的一致性,如果4个LED串联后总正向电压VF为12V,就必须使用具有升压功能的驱动电路,以便为每个LED提供充足的电压。
但由于LED的VF值存在一个变化范围,LED之间的压差会随之变化,对亮度的均匀性有一定的影响。
在LED的串联数量方面,流经LED的电流不再受LED串联数量的限制.为了满足不同的发光亮度需求,通过驱动多个LED就可以实现。
(三)LED采用全部并联方式
在并联设计中,多个LED由具备独立电流的驱动电路来驱动。
并联设计基于低驱动电压,因此无需带电感的升压电路.此外,并联设计提供低电磁干扰、低噪声和高效率,且容错性较强。
在串联设计中,一个LED发生故障就会导致整个照明子系统失效,而并联设计可避免这种个严重的缺陷。
LED采用全部并联方式如图4所示,即将多个LED的正极与正极、负极与负极并联连接,其特点是每个LED的工作电压一样,总电流为∑Ifm。
为了实现每个LED器件之间的特性参数存在一定差别,且LED的正向电压VF随温度上升而下降,不同LED可能因为散热条件差别而引发工作电流IF的差别,散热条件较差的LED温升较大,正向电压VF下降也较大,造成工作电流斥上升,而工作电流斥上升又加剧温升,如此循环可能导致LED烧毁。
图4LED采用全部并联方式
LED采用全部并联方式要求LED驱动器输出较大的电流,负载电压较低。
分配在所有LED两端的电压相同,当LED的一致性差别较大时,通过每只LED的电流不一致,LED的亮度也不同。
当某一只LED品质不良断开时,如果采用稳压式LED驱动器(例如稳压式开关电源),驱动器输出电流将减小,不影响余下所有的LED正常工作。
如果是采用恒流式LED驱动,由于驱动器输出电流保持不变,分配在余下LED的电流将增大,容易损坏余下所有的LED。
解决办法是尽量多的并联LED,当断开某一只LED时,分配在余下LED的电流不大,不至于影响余下的LED正常工作。
当某一只LED品质不良短路时,所有的LED将不亮,但如果并联LED数量较多,通过短路的LED电流较大足以将短路的LED烧成断路.现有两种用于并联配置的驱动IC:
一种是驱动VF已匹配LED的IC;另一种是驱动VF未匹配LED的IC。
1、驱动VF匹配的LED
使用具有内部匹配电流源的LED驱动IC来驱动并联的匹配LED,驱动IC在现有的3.3~5。
5V总线电压下运行,LED的电流通过单一的外部电阻器来调节。
由于不需要DC/DC变换进行升压,故无需采用外部电感,因此电路的电磁干扰和纹波可达到最小。
如果电源电压稳定且经过稳压处理,无需为每个LED配备额外的电流设置电阻器.如果有更高压的稳定电压,此电路还能为额外的串联LED提供匹配电流,但其电压必须至少为0.3V+nVF。
2、驱动VF未匹配的LED
为了驱动未匹配的LED,需要使用可为每个LED提供独立电流控制的IC来获得均匀亮度.因为LED的VF有一定的范围,驱动IC将均匀地匹配各电流以获得均匀亮度,并可在现有的3.3~5V总线电压下运行.电路中的驱动IC会测量所有LED的VF,选出最高VF的LED,并将Vout提升至驱动这个最大环值LED所需的最低电平。
3、LED采用混联方式
在需要使用比较多的LED的设计中,如果将所有的LED串联,将需要LED驱动器输出较高的电压。
如果将所有的LED并联,则需要LED驱动器输出较大的电流。
将所有的LED串联或并联,不但限制着LED的使用量,而且并联LED负载电流较大,驱动器的成本也会增加.解决办法是采用混联方式。
LED采用混联方式如图5所示,串并联的LED数量平均分配,分配在一串LED上的电压相同,通过同一串每只LED上的电流也基本相同,LED的亮度一致。
同时通过每串LED的电流也相近。
图5LED采用混联方式
当某一串联LED上有一只LED品质不良短路时,不管采用稳压式驱动还是恒流式驱动,这串LED相当于少了一只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,而不影响余下所有的LED正常工作。
如果是采用恒流式LED驱动,由于驱动器输出电流保持不变,分配在余下LED的电流将增大,容易损坏所有的LED。
解决办法是尽量多的并联LED串,当断开某一串LED时,分配在余下LED串的电流不大,不至于影响余下LED串的正常工作。
这种先串后并的连接方式的优点是电路简单、亮度稳定、可靠性高,并且对器件的一致性要求较低,即使个别使LED单管失效对整个发光组件的影响也较小。
并且对LED的要求也较宽松,适用范围大,不需要特别挑选,整个发光组件的亮度也相对均匀。
在工作环境因素变化较大的情况下,使用这种连接方式的发光组件效果较为理想。
先并后串混合连接构成的发光组件的问题主要在单组并联LED中,由于器件和使用条件的差别,导致单组中个别LED芯片丧失PN结特性,出现短路,个别器件短路使未失效的LED失去工作电流斥,导致整组LED熄灭,总电流∑Ifm全部从短路器件通过,而较长时间的短路电流又使器件内部键合金属丝或其他部分烧毁,出现开路。
这时未失效的LED重新获得电流,恢复正常发光,只是工作电流斥较原来大了一点.这就是这种连接形式的发光组件出现先是一组几个LED一起熄灭,一段时间后,除其中一个LED不亮,其他LED又恢复正常
的原因。
LED的诈的不稳定性使多个LED并联使用时,工作电流精度范围受到限制.因此,采用LED并联形式,应考虑器件和环境差别等因素对电路的影响,设计时留有一定的余量,以保证其可靠性。
混联方式还有另一种接法,即将LED平均分配后,分组并联,再将每组串联在一起.当有一只LED品质不良短路时,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。
如果是采用恒流式LED驱动,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,通过这只短路的LED的电流将增大,大电流通过这只短路的LED后,很容易就变成断路。
由于并联的LED较多,断开一只LED的并联支路,平均分配电流不大,依然可以正常工作,那么整个LED仅有一只LED不亮。
如果采用稳压式驱动,因LED品质不良短路,在短路瞬间负载相当于少了一个并联LED支路,加在其余LED上的电压增高,驱动器输出电流将大增,极有可能立刻损坏所有的LED。
只有将这只短路的LED烧成断路,驱动器输出电流才能恢复正常,由于并联的LED较多,断开这一LED并联支路,平均分配电流不大,依然可以正常工作,那么整个LED也仅有一只LED不亮。
通过以上分析可知,驱动器与负载LED串并联方式搭配选择是非常重要的,恒流式驱动功率型LED是不适合采用并联负载的,同样的,稳压式LED驱动器不适合选用串联负载。
二、LED驱动电路的解决方案
车用LED照明工作电流需要恒流稳定,以实现理想的发光强度。
用汽车蓄电池驱动LED需要DC/DC转换器来准确调节LED电流,以确保LED发光强度和颜色一致,并保护LED。
在汽车照明中,LED驱动基本都采用蓄电池供电,不适合直接驱动LED,不能提供稳定的电压,因此,需要专门的驱动电路来点亮LED。
(一)电阻限流电路
图6电阻限流驱动电路
如图所示,限流电阻可写成
式中,Vin为电路的输入电压;VF为LED的正向压降;IF为LED的正向电流;VD为防反二极管的压降;y为每串LED的树木;x为并联LED的串数。
由图可得LED的线性化数学模型为
式中,Vo为单个LED的开通压降;Rs为单个LED的线性化等效串联电阻。
则上述公式限流电阻可以写为
当电阻选定后,电阻限流电路的IF与VF的关系为
由上述公式可治,当输入电压波动时,通过LED的电流也会跟随着变化,因此调节性能差。
另外由于电阻R的接入,损失的功率为xRIF2,因此电路的效率低。
电阻限制LED的电流的方法并不适合采用额定电压为12V或24V的蓄电池系统,因为蓄电池的实际电压为从6~18V或12~36V.因此,如果需要保持亮度,就必须进行横流控制。
(二)线性调节器
驱动LED的最佳方案是使用恒流源.实现恒流源的简单电路是:
用一个MOSFET与LED串联,对LED的电流进行检测并将其与基准电压相比较,比较信号反馈到运算放大器,进而控制MOSFET的栅极。
这种电路如同一个理想的电流源,可以在正向电压、电源电压变化时保持固定的电流。
目前,一些线性驱动芯片在芯片内部集成了MOSFET和高精度电压基准,能够在不同照明装置之间保持一致的亮度.
线性驱动器相对于开关模式驱动器的优点是电路结构简单,易于实现.因为没有高频开关,所以也不需要考虑EMI问题.线性驱动器的外围组件少,可有效降低系统的整体成本,线性驱动器的功耗等于LED电流乘以内部(或外部)无源器件的压降.当LED电流或输入电源电压增大时,功耗也会增大,从而限制了线性驱动器的应用。
线性变换器的核心是利用工作于线性区的功率晶体管或MOSFET作为一动态可调电阻来控制负载.线性变换器有并联型和串联型两种。
图7所示为并联型线性变换器,又称为分流变换器(图中仅画出了一个LED,实际上负载可以是多个LED串联),它与LED并联,当输入电压增大或者LED减少时,通过分流变换器的电流将会增大,这将会增大限流电阻上的压降,以使通过LED的电流保持恒定.
使用串联电阻器(线性法)调节电流是最简单方式,如图8所示。
其优点在于成本低、实施简单,而且不会由于开关而产生噪声.这种拓扑的主要缺点是:
电阻器上的功率损耗导致系统效率降低;不能控制LED的发光亮度。
而且,这种方案需要用稳压源来得到恒定的电流.例如,VDD是5V,而LED的VF是3.0V,那么如果需要产生350mA的恒定电流,
将需要R=V/I,此时R=(5—3。
0)V350mA=5。
7Ω,电阻R将消耗的功率为RI2,即0.7W(几乎相当于LED的功率),因此总体效率就不可避免地低于50%。
图7并联型线性变换器图8串联型线性变换器
(三)开关调节器
开关电源型LED调节器是利用开关电源的原理进行DC/DC直流变换的,其电路原理如图所示
图9开关调节器电路
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一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、升压和降压一升压的功能,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)。
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。
三、基于MAX16807的汽车LED驱动电路设计
MAX16807是集成的、高效白色或RGBLED驱动器。
MAX16807具有8~26.5v输入电压范围或采用外部偏置器件兼容更高的输入电压,低电流检测基准·(300mV)实现高效率,较宽的频率调整范围(20kHz~1MHz)允许通过对效率和电路板空间进行折中优化设计。
MAXl6807LED驱动器包括8个漏极开路、恒定吸电流驱动LED的输出通道(每通道电流高达55mA),额定连续工作电压为36V.LED电流控制电路可使LED串之间的电流匹配度精度达到±3%,能使电流高于55mA的LED串并联工作。
输出使能引脚可用于同时对所有输出通道进行PWM调光(高达30kHz),亮度比可达5000:
1.由单个电阻设置所有通道的LED电流,8个恒定电流输出通道,每个输出通道的LED电流可调整至55mA,将通道并联应用可驱动具有更大电流的LED。
MAX16807可运行于独立工作模式,也可以由微控制器(µC)通过工业标准的4线串行接口控制。
MAX16807具有自动检测LED开路和过热保护功能,可工作于扩展的-40~+125℃温度范围,采用热增强型、带裸露焊盘的28引脚TSSOP封装。
MAX16807的引脚排列如图10所示.MAX16807的引脚功能见表1。
图10MAX16807的引脚排列图
表1MAX16807的引脚功能
引脚
符号
功能
1、13、28
NC
空脚
2
AGND
模拟地
3
OUT
MOSFET驱动器输出端,连接至外部N沟道MOSFET的栅极
4
Vcc
电源输出端,使用一个0。
1µF的陶瓷电容或0。
1µF的陶瓷电容并联一个更高容量的陶瓷电容将Vcc旁路至AGND
5
REF
5V基准输出端,使用一个0。
1µF的陶瓷电容将REF旁路之AGND
6~9
OUT4~OUT7
LED驱动器输出端,使用一个0。
1µF的陶瓷电容或0。
1µF的陶瓷电容并联一个更高容量的陶瓷电容将Vcc旁路至AGND的漏极开路,额定电压为36V的很定吸电流输出
10
OE
低电平有效输出使能控制,将OE驱动至PGND低电平则使能OUT4-OUT7,将OE驱动之PGND高电平则禁止OUT4~OUT7
11
DOUT
串行数据输出,数据在CLK的上升沿从内部8位移位寄存器移出到DOUT端
12
SET
LED电流设置,在SET与PGND之间连接电阻RSET设定LED电流
14
V+
LED驱动器正电源,使用一个0.1µF的陶瓷电容旁路V+至PGND
15、16
PGND
功率地端
17
DIN
串行数据输入
18
CLK
串行时钟输入端
19
LE
锁存器使能输入,当LE为高电平时,数据从内部移位寄存器透明传输到输出锁存器,数据在LE的下降沿锁存到输出锁存器,且在LE为低电平时保持
20~23
OUT0~OUT3
LED驱动输出端,OUT0~OUT3是漏极开路,额定电压36V的恒定吸电流输出
24
COMP
误差放大器输出端
25
FB
误差放大器反相输入端
26
CS
PWM控制器电流检测输入端
27
RTCT
PWM控制器定时电阻/电容连接端,振荡器频率由连接在RT/CT与REF之间的电阻RT和连接在RT/CT与AGND之间的电容CT设定
—
BP
裸焊盘,连接至地层以改善功率耗散,不要作为唯一的接地端使用
MAX16807可以工作在Buck、Boost或SEPIC模式,具体取决于输入电压范围以及每个输出通道的LED数量.增加一个外部电阻和一个齐纳二极管可以进行抛负载测试。
虽然各个通道的电流都由一个电阻设置,但每串通道的电流可以独立调整。
在不增加任何外围组件的情况下,该结构可以保证每通道之间的电流匹配度优于3%。
对于不同批次的LED,每通道可以分别调节匹配度,也可以通过使能引脚统一调节各个通道.采用50Hz~30kHz的调节频率,可以实现5000:
1的调光范围。
为了在黑暗中以及阳光直射的情况下均可见显示器内容,汽车电子所要求的调光比较高。
当亮度调节信号的开关频率范围为20kHz~1MHz时,可以避开干扰其他设备(如收音机)的频段。
MAX16807集成了LED开路检测功能,这些控制器也可级联起来构成大型LED阵列驱动电路。
采用MAX16807构成(SEPIC)的LED驱动电路如图11所示。
在图11所示电路中,MAX16807是SEPIC方案中的核心控制器,能够为两串HB.LED(每串5只LED)提供150mA的驱动电流。
Ic采用峰值电流控制模式,开关频率可变。
另外,MAX16807具有8路可编程吸电流控制电路,每路可提供50mA电流,36V驱动器可精确建立每串LED所要求的驱动电流。
为了获得更高的电流,还可以将输出连接在一起。
通过OEB引脚能够以非常短暂的占空比控制HB.LED驱动器的通/断,提供较宽的调光范围。
MAX16807控制器件组合了多项功能,电路首先建立公共电源电压,然后由线性驱动器调节每串LED的电流。
图11采用MAX16807构成的HB—LED驱动电路
SEPIC(单端初级电感转振器)设计中具有初级电感(L1)、次级电感(L2)和位于两个电感之间的串联电容(C3),某种程度上,可以把SEPIC设计看作是具有隔直流电容(消除输入电压)的Boost调节器,允许输出电压高于或低于输入电压。
然而,为了复位隔直流电容,允许能量传递到输出端,在次级放置了另一个电感L2。
在对电路进行分析时,会发现C3上的直流电压等于输入电压,当MOSFET(Q1)导通时,Kin为L1充电、C3为L2充电.由于C3上的电压等于输入电压,导通期间每个电感将作用相同电压.关闭期间,每个电感的放电电压相同(输出电压加上VD1的导通电压)。
由于L1和L2具有相同的充、放电电压,它们可以具有相同的电感量和纹波电流,但两者的平均电流相差较大.
Q1导通时,VD1反偏,只有输出电容C12支持输出电流(ILED)。
Q1断开时,L1的电感电流流过C3,与L2电流合并,为输出电容充电并支持ILED。
通过对电路进行分析,会发现电路中如的电流用于支持ILED,L1的电流重新为输出电容充电,补充能量。
即L2的平均电流等于ILED,而厶的平均电流等于ILEDVout/Vin.
开关频率的选择需要权衡最小电感、电容尺寸,并在较高开关频率时不会对Q1造成不合理的热应力要求.MAX16807数据手册给出了一个公式,利用定时电阻(R6)和定时电容(C7)确定开关频率。
选择3kQ电阻和1000pF电容,电源变换器将工作在500kHz标称频率,能够在尺寸和效率之间达到较好的均衡。
MAX16807采用峰值电流控制模式,该模式将开关电流的峰值与输出电压误差相比较,产生相应的脉冲占空比,控制输出电压。
电流检测电路还提供过电流保护.为了防止毛刺注入电路,采用由R7(1kQ)和C10(100pF)构成的100ns滤波器,该滤波器足以消除电压毛刺,而且不会对电流波形有太大影响.
对于电流模式控制器,当占空比高于50%时,会造成谐波不稳定。
这是由于电流的上升(通)斜率高于下降(断)斜率,不稳定性表现为调节器为了获得正确的占空比,会在大/小占空比之间交替变化。
不稳定性会导致电流、电压纹波增大,为了避免这一问题的出现,可以人为增大电流监测信号的斜率.
晶体管VT2的基极连接在RTCT引脚,该引脚的纹波电压通过驱动VT2进入VD2和R8,在R7,产生一个小电流,为电流检测信号提供一个斜率补偿。
SEPIC设计中需要确定使用两个分离电感还是耦合线圈。
通常,使用一个耦合线圈要比使用两个电感价格便宜。
另外,使用耦合线圈可以减小电流(是电感L1、L2的主要决定因素),从而减小电感量。
当然,与分离电感相比,耦合线圈的选择范围较窄。
如果在多种应用中采用同一设计,
最好选择分离电感,因为L1的平均电流在很大程度上取决于VIN和VLED。
考虑到设计灵活性,可以选择分离电感。
MAX16807是具有8路线性HB-LED电流驱动器(OUT0~OUT7).电阻R5用于设置每个驱动器的电流,每路驱动器的最大电流可达50mA。
并联驱动器输出可以获得更大的HB—LED驱动电流。
该设计中将每路驱动器电流设置在37.5mA,4路驱动器并联后可以为每串HB-LED提供150mA的电流。
可通过两种途径控制驱动器:
一种是由OEB引脚控制驱动器的通、断,实现PWM亮度调节,这种方式为首选方案;另一种是通过SPI接口分别控制每路驱动器的通、断.还可以通过SPI接口获悉驱动器是否发生故障。
在图4.14所示电路中,施密特触发反相器U2,通过CLK引脚将一串连续的“1”送入IC,开启输出.必要时,也可以通过J2连接SPI接口.
利用同一电源,通过独立的线性驱动器分别驱动多串HB-LED时,对于不同的SEPIC输出电压和不同的LED串联电压,OUTx引脚的电压不同。
由于IC内部HB.LED驱动器的功耗是Voutx和乘以HB—LED电流,由此可见,保持尽可能低的SEPIC电压(VLED)非常重要。
同时还要保证足够高的导通电压,使OUTx引脚的电压略高于饱和电压(大约为1V).自适应反馈电压通过或逻辑二极管选择较低的OUT端电压作为稳压调节
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