（通信与信息系统专业论文）汽车led转向灯恒流驱动电路的设计.pdf

摘要 伴随随着我国经济、生活水平的提高和汽车工业技术的发展，对汽车安全性能要 求越来越高。汽车信号灯的j 下常工作，可以保证驾驶员能及时给出行车信号和在夜间 行车的良好视野范围。而车用l e d 恒流驱动电路是目前汽车照明应用中的热点，一 个输出稳定的恒流l e d 驱动是整个汽车l e d 照明系统性能的前提。由于l e d 驱动 输出特性取决于l e d 的特性及驱动芯片，因此本文从l e d 发光原理出发，分析了高 亮l e d 的发光机理，据此设计了相应的高亮度l e d 驱动电路，满足汽车电子应用环 境要求。目前，车用恒流l e d 驱动电路的设计和研究己成为汽车照明市场的研究热 点。 论文从l e d 的发展现状出发，选择合适的l e d 作为实验对象，介绍了l e d 照 明的特点和l e d 光学特性参数。对照明驱动的典型电路、集成电路进行了系统总结， 基于芯片m a x l 6 8 2 3 和b o o s t 升压电路设计了一款汽车l e d 转向灯恒流驱动电路， 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l e d 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l e d 开路检测和保护功能，可应用于汽车高亮度l e d 照明系统中。 通过对驱动电路仿真波形和数据的分析，设计驱动电路能实现恒流输出，电流精 度控制在0 3 以内，闪光频率8 0 次分且闪频稳定达到设计要求。与同类设计的电 路相比，该驱动电路有性价比高、实用性强等优点。整体电路的仿真结果，表明电路 完成了设计功能，达到了设计目标。 关键词：高亮发光二极管，5 5 5 方波信号发生器，m a x l 6 8 2 3 ，b o o s t 升压电路、恒 流驱动电路 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n t so fe c o n o m y , p e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d sa n dt h et e c h n o l o g yo f a u t o m o b i l ei n d u s t r yi nc h i n a ，t h e r eh a v eb e e ni n c r e a s i n g l yg r e a t e rr e q u i r e m e n t sf o rt h e a u t o m o b i l es a f e t y t oa c h i e v eg r e m e rs a f e t y , t h es i g n a ll a m p sc a nh e l pt h ed r i v e rt os e n d c o r r e c ta n dt i m e l yr u n n i n gs i g n a l sa n dt oh a v eag o o dv i s u a lr a n g ew h i l ed r i v i n ga tn i g h t t h ec o n s t a n t - c u r r e n tl e dd r i v e rc i r c u i ti st h eh o t p o i n ti nt h ea p p l i c a t i o no fp r e s e n ta u t o l a m p sw h i l eac o n s t a n t c u r r e n tl e dd r i v e ri st h ep r e r e q u i s i t eo ft h ew h o l ea u t ol e d l i g h t i n gs y s t e m a st h el e dd r i v e r so u t p u td e p e n d so ni t sc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed r i v e r c h i p s ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h el i g h t e m i t t i n gm e c h a n i s ma n dp u t sf o r w a r dad e s i g no f h i g h b r i g h tl e dd r i v e rc i r c u i tt om e e tt h ea u t o sr e q u i r e m e n t sf o re l e c t r o n i ca p p l i c a t i o n b a s e do nt h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fl e d ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f l e dl i g h t i n ga n dt h el e do p t i c a lp a r a m e t e r sa n dc h o o s e sl e df o re x p e r i m e n t b y s u m m a r i z i n gt h et y p i c a lc i r c u i t so fi l l u m i n a t i n gd r i v e rc i r c u i t sa n di n t e g r a t e dc i r c u i t s ，a n a u t ot u r nl i g h tb a s e do nc h i pm a x16 8 2 3 a n db o o s tc i r c u i ti sd e s i g n e d a l s o ，a na u t ol e d c o n s t a n t c u r r e n td r i v e rc i r c u i ti sp r e s e n t e di nd e t a i l ，w h i c ha d o p t st h ec o m m o ni n t e g r a t e d c h i p a l t h o u g ht h es t r u c t u r eo ft h ec i r c u i ti ss i m p l e ，i th a ss u c hs t r e n g t h sa ss t a b l es h i n i n g f r e q u e n c y , c o n s t a n t c u r r e n to u t p u t ，h i g h a c c u r a c y , q u i c kd y n a m i cr e s p o n s e ，s m a l lr i p p l e ， l o wn o i s e ，a n dl e do p e nd e t e c t i o n t h ec i r c u i tc a nb eu s e di na u t oh i g h - b r i g h tl e d l i g h t i n gs y s t e m b ya n a l a z i n gt h et h es i m u l a t i o np u l s ea n dd a t ao fd r i v e rc i r c u i t ，t h ed e s i g n e dd r i v e r c i r c u i tc a nr e a l i z ec o n s t a n t - c u r r e n to u t p u t t h ea c c u r a c yo fc u r r e n ti sl i m i t e dw i t h i n 士o 3 a n dt h es t a b l es h i n i n gf r e q u e n c yi s8 0t i m e sp e rm i n u t e t h ec i r c u i t sp e r f o r m a n c ei sg o o d a n di t sp r i c ei s l o w , c o m p a r e dw i t ho t h e rc i r c u i t s t h es i m u l a t i o no ft h ew h o l ec i r c u i t i n d i c a t e st h a tt h i sc i r c u i th a sa c h i e v e dt h ed e s i r e df u n c t i o n sa n dr e s e a r c ht a r g e t k e yw o r d s ：h i g h - - b r i g h tl i g h t - e m i t t i n gd i o d e s ；5 5 5m u l t i v i b r a t o r ；m a x l6 8 2 3 ；b o o s t c i r c u i t ；c o n s t a n t c u r r e n td r i v e rc i r c u i t i i 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知， 在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已 经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学 位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出 的贡献均已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 沙d 年畛月r 汨 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借 阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机 构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内 容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 乡酣口年够月，堋 1 绪论 11 研究背景与意义 近年来，随着国际社会能源形势的急剧变化，全球能源安全问题越来越受到的广 泛关注也成为影响未来国际能源形势发展的重要趋势。我国是发展中国家，也能源生 产和消费大国，我国今后的能源供求关系将对世界能源格局产：生较大影响。虽然持续 取得了两位数的经济发展速度，但所消耗的资源是十分惊人的，是以高消耗、高污染、 低效率取得，必须从宏观的、长远的观点来研究和把握我国的能源问题，以确保现代 化建设有长期足够的能源供应。而照明约占世界总能耗的2 0 ，若能以高效率的l e d 取代日翦低效率、高耗电的传统照明，无疑对缓解当前越来越紧迫的能源和环境问题 起到举足轻重的作用。 高亮度l e d 以寿命长、体积小、耐震动、响应速度快、冷光源、功耗低等优点， 已经在今天的汽车灯具中得到广泛的应用，图l1 是现代汽车l e d 照明系统的典型 应用。汽车l e d 灯具的使用逐渐成为未来一代汽车的主要特征同时，采用l e d 也 可带动技术上，甚至汽车设计风格上的变化。l e d 驱动电路是汽车照明的重要组成 部分，对汽车驾驶安全起十分重要的作用。 擅垃n触目4 目舶日n # m * * w 幽1i 现代汽1 # 中l e d 照明系统的典1 4 席用 汽车照明从最原始的蜡烛灯，发展到普遍使用的白炽灯，近年又出现新型h i d ( h i g i i i n t e n s i t y d i s c h a r e h e a d l a m p s ，氮气头灯) 灯以及l e d ( l i g h t e m i t t i n g d i o d e - 发光二极管) 灯。l e d 经过3 0 多年来的发展，中国l e d 产业已初步形成较为完整 的产业链。凭借这些技术上的改进，l e d 的目标应用也得到了极大拓宽，早早就被 应用于汽车照明系统汽车行业已经以绝对的优势快速转向了在任何可行的情况下 1 均采用l e d 技术，并使用了l e d 驱动电路。而l e d 驱动电路是随着白光l e d 的应 用发展而发展的，最有发展前途的是将现有汽车上的白炽灯更换成l e d 灯。现在汽 车上已经采用l e d 刹车灯、转向灯、散雾灯来代替白炽灯。 新一代固态冷光源l e d 于上世纪6 0 年代问世，直到8 0 年代之前，当时由于l e d 的亮度不足，只是作为指示灯等使用，没有人想到它作为汽车车灯。8 0 年代中期， 高亮度发光二极管开始进入到汽车产业，被用于汽车中央高位刹车灯( c h m s l ) 使 用，首先使用l e d 汽车光源为n i s s a n3 0 0 z x 、n i s s a np u l s a r 、等车款。目前已有8 0 以上的欧系和日系汽车安装了l e d 中央高位刹车灯n 1 。 进入9 0 年代，普遍采用l e d 这种固态新光源作为汽车仪表l c d 面板背光照明。 进入新世纪后，随l e d 亮度和功率的提升，除了汽车前照灯外，l e d 全面进入了汽 车照明和信号系统中的应用。 2 0 0 0 年c a d i l l a e 所推出的d e v i l l e 车款，首先将高亮度发光二极管应用于车尾灯 组，开启高亮度发光二极管于车外光源的新应用。而我国第一个l e d 车灯是桑塔纳 2 0 0 0 型轿车的高位制动灯，它由上海汽车电子工程中心和上海小系车灯有限公司联 合开发，并于2 0 0 0 年通过上海大众汽车公司认证而投产。此后，德国奥迪已于2 0 0 4 年在a 8 汽车中率先采用l e d 车头灯，法国富奥公司展示了用4 个l e d 做成的高位 刹车灯，还有用一个l e d 灯来实现所有尾部信号灯功能，包括停车灯、后小灯、转弯 指示灯、雾灯和倒车指示灯等。预计到2 0 1 0 年，绝大部分汽车尾灯照明将采用l e d ， 包括倒车灯和牌照灯在内。2 0 0 0 型凯迪拉克和s 级奔驰车上，后灯( 尾灯、刹车灯 和转向灯) 全部使用了l e d 。新奥迪a 8 轿车侧面转向灯、行车灯、刹车灯和转向灯 等，也全部使用了l e d 。目前国际上新款式高档轿车，如凯迪拉克、宝马、丰田、奔 驰和福特等，都装配了五彩缤纷l e d 灯具，很多中端汽车目前也纷纷采用l e d 阵列 作为刹车灯、转向指示信号灯【2 】【3 1 。 目前，利用高亮度l e d 为车后光源风潮有扩大的倾向，许多的欧系及日系车厂 都有推出相关的产品，包括欧洲奥迪汽车、a r i ar o m e o 、b m w 、奔驰汽车及日本三 羡汽车、丰田汽车等车厂都有推出相关产品，而且其应用由高价车往国民车发展，及 由单一光源( 如刹车灯、方向灯、尾灯) 使用，转变为全尾灯组都使用高亮度发光二 极管的发展趋势。 通过欧洲国家经过长期研究、实验表明：汽车在白天行驶的过程中，如果能够同 时打开照明系统，那么至少可降低2 5 交通事故的发生。同时人们也发现，在那些 轻度的交通事故中，有5 0 以上是由于在驾驶过程中没有看清道路上的其他行人或 车辆所造成的。对于汽车信号灯驱动电路的研究是很有必要的。汽车产业在全球经济 中仍然是一个支柱产业。目前我国的汽车年产能达8 0 0 多辆，已超过德国，产量位居 2 世界第三。规模如此之大的汽车产业，拉动了车用灯具的发展，同时为l e d 在汽车 上的应用提供了广阔的市场空间。按目前l e d 的技术水平，一辆汽车需要3 0 0 多个 l e d ，其需求量非常之大。未来几年我国车灯将会有较大的发展，形成超过1 0 亿元 的年产值。国家半导体照明工程主要是通过推广高效节能灯具的使用，达到节省能源， 保护环境的目的。发光二极管节能、环保、响应速度快、方向性好、易于实现数字控 制、适于亮灭闪烁，在未来的汽车照明市场中具有强有力的竞争力。 通过研究汽车l e d 转向灯驱动电路的设计以加快汽车灯具的更新换代，促进我 国汽车灯具乃至整个汽车行业的进步都有一定意义。此外，l e d 光源有节能、无污 染、寿命长等优点，用l e d 光源取代传统汽车灯具光源，对于节约能源和减少重金 属的污染都有好处。 1 2 国内外研究现状 随着近几年的科技的飞速发展，车用电子闪光器( 驱动电路) 得到了日益广泛的 应用和更新，显示出强大的生命力。最有发展前途的是将现有汽车上的白炽灯更换成 l e d 灯，汽车上已有刹车灯、转向灯、散雾灯采用l e d 来代替白炽灯，以用于汽车 的内外部照明。目前，发达国家的汽车电子工业仍在研制功能更多、性能更优越的电 子| 、人j 光器。我国的汽车电子工业起步较晚，所研制的汽车电子闪光器在功能和性能上 都还有待进一步提高。 从高亮度l e d 在汽车照明领域发展来看，外部照明需要极高的亮度，因为转向 灯、刹车灯以及中央高位刹车灯必须在黑天后以及在白昼能被肉眼所看到所需的亮 度。在每种情况下均需要使用多个l e d 来实施每一个这样的功能，对于实现多个l e d 的驱动，需要专门的驱动电路来点亮l e d 。 从汽车转向灯驱动电路发展历程来看，汽车转向灯所用的闪光器主要有电热式闪 光器、翼片式闪光器、电容式闪光器、晶体管式闪光器、集成电路式闪光器。电热式 闪光器利用镍铬丝通电受热膨胀的原理构成，电热式闪光器结构简单，制造成本低， 但闪光频率不够稳定，使用寿命短，信号灯的亮暗不够明显，今后将趋于淘汰；电容 式闪光器闪光频率稳定，但也存在触点烧蚀现象，并对无线电波产生干扰；翼片式闪 光器结构简单、体积小、闪光频率稳定、监控作用明显、工作时伴有响声，但使用寿 命短。弹跳式闪光器利用双金属片通电后膨胀弯曲变形的原理组成；电容式闪光器利 用电容的充放电原理进行工作；以上几种闪光器基本上淘汰了，目前经常用的有晶体 管闪光器和集成电路闪光器两大类。下面针对国内外汽车l e d 转向灯驱动电路从有触 点式和无触点式两大类进行的研究： 1 有触点式闪光器 3 通过查阅资料文献，发现有触点式闪光器主要是利用电子元器件、集成芯片和电 磁器件有机结合的信号控制装置，可以实现汽车转向灯交替闪烁的功能。 ( 1 ) 晶体管和小型继电器组成的有触点晶体管式闪光器 目前，由单个电子元器件和电磁器件构成的闪光器，在1 2 5 、1 5 0 摩托车和轿车、 微型汽车应用较多，自激多谐继电器就是典型的有触点式闪光器。该闪光器仅由一个 双绕组的电磁继电器、两个电容和灯泡构成，具有较高性价比，实质上就是一个低频 大功率振荡器，电路结构非常简单，工作性能稳定可靠，触点压降低于电子开关元器 件压降，损耗小，性价比高【4 】。电路中电磁继电器考虑本身工作参数，如吸合电压、 释放电压离散性较大时，再加上温度稳定性的影响制作出的闪光器的闪频也就呈现出 较大的离散性甚至会超出极限值。所以，生产厂家应对生产过程有严格的控制【5 1 。 由组合开关进行控制设计的转向灯控制电路，广泛地吸取了五十铃、斯太尔和奔 驰重型载货汽车的优点，广泛应用在欧曼重型载货汽车电气系统开发过程中，由于闪 光器工作电流，由于开关容量的限制，导致组合开关批量故障，2 0 0 4 年对闪光器进行 改型，使用开关控制继电器的方法，降低了组合开关的工作电流，组合开关失效问题 有了显著下降哺j 。 ( 2 ) 集成块和小型继电器组成的有触点集成电路闪光器 随着汽车电子技术的不断发展，各种新型的汽车专用集成电路应运而生，从而使 汽车转向闪光器的结构原理已由集成电路式闪光器替代了晶体管式闪光器。集成电路 闪光器可用通用集成电路制成，也有专用闪光器集成电路。普通集成电路电子闪光器 目前常采用双极时基电路，如n e 5 5 5 ，此电路的外围元器件较少，因为采用的集成电 路为普通型，所以成本较低。但以n e 5 5 5 锘 成的闪光器，在设计上未对汽车使用时可 能出现的瞬态电压采取技术性保护，因此在装车使用中，n e 5 5 5 损坏较多。采用汽车 闪光专用集成电路，克服了以上缺点和不足，具有外围元件少、体积小、寿命长、低 成本、高可靠性的特点，并具有过压保护、电池反接保护和灯泡损坏自动报警功能。 常用进口集成电路有u 2 0 4 3 b 、u a a l 0 4 1 、l 9 6 8 6 等型号，这些都是专用集成电路， 近年来国产的专用集成电路已研制比较成熟，型号种类很多，j t l l z l 0 4 1 、l d 7 2 0 8 、 b u l 0 4 1 、l t l 0 4 1 等，继电器控制方面也从过去的单一继电器控制发展成双继电器控 制电路，即闪光器在左右转向时分别由2 只继电器控制，双闪报警时2 个继电器同时工 作。天津市鹏程汽车配件厂【7 】生产的s g 、s g d 等系列集成电路闪光器的应用，充分说 明了集成电路的应用，大大改善了汽车转向灯运行环境，闪光频率稳定、功耗低、有 过流、过压、过热等自保护功能等显著优点。 常用的汽车转向灯闪光控制器一般采用专用1 c ( a t m e l 公司生产的u 2 0 4 3 b ) 和电 磁继电器进行控制，采用取样电阻监测负载电流的变化，外接r c 控制输出闪光频率， 从而实现汽车所要求的转向信号闪光和主灯故障指示闪光。闪光频率输出通过闪光专 4 用控制i c 模块发出控制信号驱动输出继电器实现【8 j 。 采用l t 4 7 6 1 研制一种r t d s g a 型复合式闪光继电器，是一种用来控制转向信号灯 和危险报警灯的电子产品。电路通过外继电器来控制汽车方向灯的闪烁，当检测到车 灯断路时可以通过加快闪烁频率来报警。具有保护全、耗电少、性z f j q 匕c 乍急定、使用范围 广、寿命长等优点，适用于各类车型，是目前取代国产分立器件和进口类产品中的 最佳产品【9 。该复合式闪光继电器从2 0 0 2 年5 月开始在安徽安凯汽车股份有限公司的 安凯凯斯鲍尔豪华旅游车上试用，河南宇通客车股份有限公司等1 0 多个汽车厂家得到 广泛应用，产生了很好的社会效益和经济效益。 目前在优化汽车转向灯电路结构方面，已在降低转向灯开关和危险报警开关工作 电流方面作出贡献，能延长开关使用寿命，简化危险报警开内部结构【l o 】。上述电子闪 光器目前应刚依然较多，但仍然没有摆脱触点存在的缺点。 2 无触点式闪光器 全晶体管式无触点闪光器由于没有继电器的拍合声，不能及时提醒驾驶员关闭 闪光器电源，且当灯负载短路时，大功率管容易烧毁，若增加保护电路又提高了成本， 所以目前也很少在汽车上使用。 在上述介绍的常用汽车闪光控制电路中，由于驱动电路无法有效识别l e d ，加 上继电器的应用有一定的局限性，目前已经用一种新型汽车l e d 灯闪光控制方法， 来克服上述不足，该设计采用m c u ( 采用m i c r o c h i p 公司的p i c l 2 f 6 8 3 ) 及辅助控制 电路替代了常用的闪光专用控制i cu 2 0 4 3 b ，克服了常规闪光控制器不能有效识别 l e d 模块负载的弊端。m c u 与通用闪光控制器相比在成本上有一定劣势，但在特定 的应用场合仍不失为一个可行的解决方案，该方案已成功应用于某些国产车型的闪光 控制。 高亮度l e d 用于汽车前灯是未来发展方向，其中h b l e d 曰行灯已经开始作为 产品应用于一些高档汽车，采用汽车l e d 驱动芯片和拓扑电路实现各种汽车灯具照 明电路。有一款基于车用驱动芯片m a x l 6 8 3 1 与反激式变换器的汽车日行灯驱动电 路，也可通过搭建开关点源升压电路，设计出一种大功率l e d 恒流驱动电路，实现 升压驱动，可驱动多颗l e d ，还能输出7 0 0 m a 到1 a 的恒流电流，实现l e d 的恒流 驱动和p w m 调光，并能满足同行灯的有关驱动要求。有一款采用a t 9 9 3 3 芯片的 p w m 恒流l e d ，其驱动、拓扑和调光方式分别采用开关型变换器、b o o s t b u c k 拓扑 和p w m 调光方式，负载采用8 颗1w 大功率白光l e d 串联，电流精度达2 3 ；当 输入电压为1 2 v 时，输出电压为2 5 1 2 v ，电路转换效率达8 0 4 4 。 通过上述研究分析，利用车用l e d 驱动芯片与转换电路实现l e d 驱动任务，应 用前景广阔，可以避免其他方式闪光器、驱动电路带来不足。本文主要采用美信公司 生产的m a x l 6 8 2 3 专用驱动器搭建升压转换器共同实现l e d 的升压驱动任务。目前 与 没有发现利用m a x l 6 8 2 3 设计的汽车l e d 转向灯驱动电路。 综上所述，发现国内l e d 车灯应用和研究刚刚起步，只有少数光电研发中心在 做这方面的研究，但是技术还不够成熟，离商品化的生产还有很大距离。l e d 车灯 国内汽车上的使用率不足1 ，主要是应用在极少数高档轿车上，如新推出的国产丰 阳花冠、新款p a s s a s 、标致3 0 7 c c 、上海华普、比亚迪f 3 等，离大规模的应用还有困 难。目前在亚洲车型、欧洲车型和美国车型中，分别有8 0 、7 0 和5 0 以上的高置 灯都采用了l e d e l l 】。 虽然2 0 0 9 年金融危机对世界经济的影响很大，但是欧美等国际市场对大功率 l e d 电源的需求量还是很大，相应的高端l e d 产品的出口量受金融危机影响较小。 2 0 0 8 年中国l e d 应用产品产值已超过4 5 0 亿元r m b ，l e d 汽车灯具、l e d 示范应 用路灯、l e d 全彩显示屏显示器件、太阳能l e d 、景观照明、消费类电子背光、信 号、指示等应用仍然是主要应用领域【12 1 。但是在市场一片繁荣的背景下，l e d 产品 质量良莠不齐，对驱动电源的要求混乱，市场上l e d 产品如火如荼的发展态势下， 就l e d 驱动电源企业而言，目前面临几个挑战。首先是驱动电路整体寿命，尤其是 关键器件如电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命。其次是l e d 驱动器挑战更 高的转换效率，尤其是在驱动大功率l e d 时更是如此，因为所有未作为光输出的功 率都作为热量耗散，电源转换效率的过低，影响了l e d 节能效果的发挥。第三，以 大调光比、高效率地对l e d 调光，同时能够保证在高和低亮度时颜色特性恒定。同 时要降低成本，目前在功率较小( 1 5 w ) 的应用场合，恒流驱动电源成本所占的比重 已经接近1 3 ，已经接近了光源的成本，一定程度上影响了市场推广。 随着半导体材料及封装工艺的进步，在l e d 发光效能上大幅度的增进，光色实 现多元化，光通量进一步提高，产品单价大幅下滑，以及使用高亮度发光二极管所衍 生的汽车外型设计弹性大、增加汽车可用空间、省能的优势，l e d 在汽车照明领域 的应用也逐渐扩大，使得发光二极管作为第三刹车灯的使用比例大幅增加，应用领域 也扩展到转向灯、倒车灯、车尾灯，再到现在的汽车前大灯，这反映了一种必然的趋 势：l e d 在汽车灯具应用中必将逐渐取代传统的白炽灯和卤钨灯，成为汽车照明的 第四代光源【1 3 】【1 4 】【1 5 】。 1 3 主要研究内容 本文主要任务是基于车用驱动芯片m a x l 6 8 2 3 搭建开关电源升压电路( b o o s t ) 的驱动电路，设计出一种汽车高亮度l e d 转向灯恒流驱动电路。 设计要求：驱动电路工作电压范围为6 - 3 6 v ，输出电压3 0 3 6 v ，输出l e d 电流 恒定达到3 5 0 m a ，以满足高亮度要求；能发出明暗交替的闪光信号，闪光频率应控 制在8 0 次m i n 且闪光频率可调；具有l e d 点阵电路工作状态检测和保护功能。 6 通过前期阅读许多参考文献、论文以及相关书籍，确定了该驱动电路的设计方案。 本驱动电路的设计主要由以下6 个模块组成，分别是主控制电路、主功率拓扑电路、 输出电路、方波信号发生器、输入电路和保护电路。 设计总体思路是采用通用集成芯片车用l e d 驱动芯片m a x l 6 8 2 3 、主功率拓扑 b o o s t 升压电路和方波信号发生器，共同实现对l e d 点阵电路的驱动。输出电路采用 两串两并( 2 s 2 p ) 架构，将两组l e d 分别接入1 6 8 2 3 其中2 个输出通道中，分 别代替汽车左、右转向灯，同时设计了汽车内部左、右转向指示灯的功能。利用方波 信号发生器输出脉冲信号，控制l e d 末端晶体管的通断，实现l e d 交替闪烁。 下面对各模块进行简单的介绍： ( 1 ) 主控制电路核心元器件是m a x l 6 8 2 3 ，其能在克服汽车电源变化不定的环 境下，能实现恒流输出。在其d i m 端输入脉冲信号，输出端可以实现通断控制，送 入主功率拓扑电路m o s f e t 丌关管，和外围元器件实现升，k 任务，驱动两组l e dj 下 常工作。m a x l 6 8 2 3 管脚1 1 ( r e g 端) 始终能输出稳定的直流+ 3 4 v 电压，经过升 压电路为方波信号发生器提供直流5 v 电压，避免单独设计直流稳压电路，降低了设 计成本。 ( 2 ) 主功率拓扑电路采用b o o s t 升压转换电路，是由r 单个m a x l 6 8 2 3 具有可 调恒定的输出电流最高只有7 0 m a ，不能满足设计要求，本文搭建开关电源升压电路 共同实现l e d 驱动，确保l e d 点阵电路实现设计要求。 ( 3 ) 输出电路采用两串两并( 2 s 2 p ) 架构，l e d 采用串联连接方式，将两组 l e d 分别接入m a x l 6 8 2 3 其中2 个输出通道，分别代替汽车左、右转向灯，另外设 计了汽车内部左、右转向指示灯的功能。 ( 4 ) 方波信号发生器是由l m 5 5 5 c h 和外围元器件构成一个频率、占空比可调 的信号发生器，输出脉冲信号一路通过主控芯片m a x l 6 8 2 3 来控制l e d 点阵光通量。 另一路控制l e d 末端晶体管的通断，实现l e d 交替闪烁的功能。 ( 5 ) 输入电路是由滤波电容、c m o s 管共同构成，减小汽车蓄电池输出直流电 中的脉动成分。其中通过c m o s 管作电源防反接保护，当电源正接时，c m o s 管导 通，电路正常工作：当电源反接时，c m o s 管截止，电路不工作，可以有效保护驱动 电路。 ( 6 ) 保护电路由l e d 丌路检测控制电路和l e d 开路保护电路组成。开路检测 控制电路由m a x l 6 8 2 3 管脚6 ( l e d g o o d ) 经过非门电路驱动l e d ；开路保护电路 是在输出端并联一个齐纳二极管以限制m a x l 6 8 2 3 的o u t 引脚上的输出电压。 通过对各模块电路的设计，确定驱动系统电路原理图，利用m u l t i s i m 仿真软件 进一步验证设计电路的正确性。 7 1 4 论文结构 论文主要结构共分为五大部分，以下将依顺序简述此五大部分研究的内容。 第一章是绪论：主要目的是介绍研究汽车高亮l e d 转向灯驱动电路的意义。首 先回顾了l e d 的发展历史，并对课题应用背景加以了解；接着介绍了驱动电路国内 外发展现状和发展趋势；最后介绍了本文的主要研究内容和论文结构。 第二章是高亮度l e d 及其在汽车信号灯中的应用：主要目的是介绍l e d 相关特 性。首先阐述了高亮l e d 的发光原理；接着对l e d 相关特性进行详细的分析；最 后，结合汽车信号灯讲述了l e d 在此领域中应用的优缺点。 第三章是高亮度l e d 驱动电路原理：重点是l e d 的b o o s t ( 升压) 电路分析及 应用。首先介绍了l e d 串联、并联、混联三种连接方式，提出本文采用串联连接方 式；接着，介绍了l e d 的b u c k ( 降压) 、b o o s t ( 升压) 、b u c k b o o s t ( 降压升压) 三种d c d c 转换电路( 拓扑结构) ，重点对b o o s t 进行详细的分析；再介绍了选择 l e d 拓扑电路的依据；最后，对典型的l e d 集成驱动电路进行分析，通过对比各自 优缺点，最终确定本文驱动方案。 第四章是l e d 转向灯驱动电路的设计：本章首先介绍汽车转向灯照明系统设计 参数，主要是确定所使用l e d ，结合l e d 正向导通压降、单个l e d 光通量以及系统 所需光通量，确定l e d 点阵所需l e d 的个数：接着，确定驱动电路设计的要求和方 框图，并依据方框图对各模块就行设计；最后，根据各模块设计得出汽车l e d 转向 灯恒流驱动电路原理图。 第五章是驱动电路的仿真与分析：本章是本文的重点，利用m u l t i s i m 对各模块的 功能进行了仿真，并依据仿真结果给予详细的分析，验证各模块设计的正确性。再对 所设计的整体电路进行仿真，根据仿真结果验证所设计电路的可行性。 结束语：本章对本文设计进行全面的总结，并对本文尚未解决的问题作以讲述， 为今后继续在l e d 方面的研究有着“启明灯”的作用。 8 2 高亮度l e d 及其在汽车信号灯中的应用 随着l e d 照明技术不断发展，单个l e d 光源的光通量和功率也在迅速增加，就 目前l e d 光源的功率和光效来看，很难取代汽车前照灯和前雾灯的光源，但是应用 在汽车信号灯，如转向灯、制动灯是可以的。通过目前汽车灯具发展来看，l e d 在 汽车信号灯中的应用是最具潜力。为全面认识l e d ，本节首先阐述了高亮度l e d 的 发光原理，接着对l e d 相关特性进行详细的分析，最后，结合汽车信号灯讲述了l e d 在此领域中应用的优缺点。 2 1l e d 的发光原理 高亮度l e d ( 1 i g h t e m i t t i n gd i o d e ，简称写为l e d ) 1 1 6 1 是一种固体电致发光体， 是直接将电能转化成光能的半导体器件，由四元化合物及g a n 系列化合物制成的半 导体，和普通二极管一样，核心部分是由p 型半导体和n 型半导体组成的晶片，在p 型半导体和n 型半导体之间有一个过渡层，称为p n 结【1 7 】，因此它具有一般p n 结的 i v 特性，即正向导通，反向截止，发光原理图如图2 1 所示。 当在发光二极管p n 结上加正向电压时，空间电荷层逐渐变窄，载流子扩散运动 大于漂移运动，在p 区和n 区界面两侧附近空间的载流子各自向对方扩散，p 区的空 穴注入n 区，n 区的电子注入p 区，电子与空穴的扩散均破坏结两边的电中性。于 是在p n 结附近稍偏于p 区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇复合时会把过 剩的能量会以光和热形式表现出来，从而把电能直接转化成光能，这是典型的复合发 光的发光体，属于自发辐射。当在发光二极管的p n 结上加反向电压，少数载流子难 以注入，故不发光【博j 。 图2 1l e d 的发光原理 在l e d 允许电学特性范围内，改变工作电压( 电流) 的大小，是可以调节发光 亮度。l e d 的发光亮度与工作电流大小成线性关系，即通过l e d 的正向电流越大则 l e d 越亮，电流稳定度将影响l e d 发光稳定性。也因此，采用能提供精确电流的l e d 9 驱动电路成为汽车照明的主流。 2 2l e d 的电学特性 控制l e d 的发光亮度，实质是控制发光密度，主要描述发光二极管的电压与电 流的关系。当正向电压小于某一值( 叫阈值) 时，电流极小，不发光；当电压超过某 一值后，正向电流随电压迅速增加，l e d 发光。本节以分析高亮度h p w a x h 0 0l e d 的特性为例，图2 2 为正向压降( v f ) 和证向电流的( i f ) 关系曲线，由i v 特性曲 线可知，当征向电压超过某个阈值( 约2 v ) ，即通常所说的导通电压之后，可近似认 为i f 与v f 成j 下比( 近似线性关系) 1 9 1 【2 0 1 。即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高 接触电阻。 j | f |。 7 oo 51 o1 52 uz 5 、l n 图2 2h p w a x h 0 0l e d 的v f 与i f 关系曲线 2 3l e d 的光学特性 1 光通量 光通量f 是光源发射并被人的眼睛接收的能量之总和即为光通量( ) ，其单 位为流明( 1 m ) 。是l e d 总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣，它与工作电 流直接有关。随着电流增加，l e d 的光通量随之增大。此外，光通量与芯片材料、 封装工艺水平及外加恒流源大小有关。由于l e d 的光特性通常都描述为电流的函数， 而不是电压的函数，光通量( v ) 与i f 的关系曲线如图2 3 所示，因此采用恒流源 驱动可以更好地控制亮度。 1 0 加 钟 柏 加 m o 量蕾_ 亟圭堂焦迨塞 塑至! = 婴筮臼塑垣逾壅生! 丛造丝缝过 u2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 i f l la 图2 3h p w a x h 0 0l e d 的光通苗( v ) 和i r 关系曲线 h p w a x h 0 0l e d 的光通量( v ) 与温度关系曲线，由图2 4 可知光通量与温度 成反比，8 5 时的光通量是2 5 时的一半，而一4 0 时光输出是2 5 时的1 8 倍。 温度的变化对l e d 的波长也有一定的影响【2 2 1 ，因此，良好的散热是l e d 保持恒定亮 度的保证。 ；2 0 e 1 8 1 6 1 4 1 2 1 o 0 8 0 6 0 4 0 2 0 、 、 、 。 4 0- 2 002 04 0 6 08 09 0 温度， 幽2 4l e d 的光通量( v ) 与温腰的关系曲线( i r = 6 0 m a ) 2 发光强度 l e d 有红外( 非可见) 与可见光两个系列，i j 者可用辐射度来度量其光学特性， 后者可用光度学来量度其光学特性。l e d 的光强用于表征它在某个方向上的发光强 若，由于l e d 在不同的空间角度上光强相差很多，随之而来人们研究了l e d 的光强 分布特性。这个参数的实际意义很大，直接影响到l e d 显示装置的最小观察角度。 l e d 采用的是圆柱形、圆球犁封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强的指向性， 其中发现方向上的光强最大，其与水平面的交角为9 0 度1 2 ”。当偏离正法向方向不同 的角度时，光强也随之变化。例如车用的l e d 必须保证在较大角度的人都能识别。 3 发光峰值波长及其光谱分布 l e d 所发的光并非单一波长，无论用什么材料制成的l e d ，其光谱分布曲线都 有一个相对光强度最强处( 光输出最大) ，与之相对应有一个波长，此波长叫做峰值 波长，用场表示。只有单色光才有峰值波长。 4 发光效率和视觉灵敏度 ( 1 ) 发光效率 光效是指电能转换成光能的效率，单位为流明瓦( 1 州w ) 。光通量与电功率之比。 l e d 的效率有内部效率( p n 结附近由电能转化成光能的效率) 与外部效率( 辐射到 外部的效率) 之分，内部效率只是用来分析和评价芯片优劣的特性。l e d 最重要的 特性是辐射出光能量( 发光鼍) 与输入电能之比，即发光效率。发光效率表征了光源 的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要指标。 ( 2 ) 视觉灵敏度 人的视觉灵敏度在入= 5 5 5 n m 处有一个最大值6 8 0l m w 。若视觉灵敏度记为k 。， 则发光能量p 与可见光通量f 之间关系为： p = l p 2 d 2 ( 2 1 ) f = i k 2 p 2 d 2 ( 2 2 ) 5 发光亮度 一般来讲光线都是向不同方向发射的，并且强度各异。可见光在某一特定方向角 内所发射的光的强度就叫做光强，发光亮度是衡量l e d 发光性能又一重要参数，具 有很强方向性。指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位 立体角内所辐射的光通量，发光亮度的单位为c d m 2 或n i t ( 尼特) 。其正法线方向上 的亮度为： b d = i o a ( 2 3 ) 若光源表面是理想漫反射面，亮度b o 与方向无关为常数。晴朗的蓝天和荧光灯 的面亮度约为7 0 0 0 n i t ( 尼特) ，从地面看太阳表面亮度约为1 4 1 0 8 n i t 。l e d 的发 光亮度与外加电流密度( j o ) 有关，对于一般的l e d ，j o 增大时b o 也增大。另外， 发光亮度还与环境温度有关，环境温度升高时，r lc ( 复合效率) 下降，b o 减小。当 环境温度不变时，电流增大足以引起p n 结的结温升高，温度升高后，亮度呈饱和状 态【2 4 j 。 6 寿命 l e d 寿命一般都很长，在电流密度j o 小于1 a c m 2 的情况下，寿命可达1 0 6 h ，即 12 可连续点燃一百多年，这是任何光源都无法与之竞争的。l e d 的发光亮度会随着工 作时间的延长而衰退，这就是老化。老化的快慢与电流密度j o 和老化时间常数r 有 关，可描述为： e = b d e + 咖 ( 2 4 ) 式中b t 为t 时间后的亮度，b o 为初始亮度。 2 4l e d 的温度特性 ( 1 ) 温度对白光l e d 正向电压的影响 l e d 伏安特性的数学模型可以表示为： 砟= 圪，。一。+ r s i f + v r 彳r x r 一2 5 c ) ( 2 5 ) 其中，圪。一。是l e d 的启动电压，r s 表示伏安曲线的斜率，i f 表示l e d 的正向 电流，t 环境温度v f t 是l e d 币向电压的温度系数，对于大多数l e d 而言，它 的典型值为一2 v c 2 s 】。 从l e d 的伏安曲线及数学模型看，l e d 在正向导通后其j 下向电压的细小变动将 引起l e d 电流的很大变化，并且环境温度，l e d 老化时间等因素也将改变影响l e d 的电性能。而l e d 的光输出直接与l e d 电流相关，所以l e d 驱动电路在输入电压