汽车LED照明系统的挑战和解决方案

汽车发光二极管照明系统面临的挑战及解决方案作者：时间：2009年7月17日来源：长期以来，汽车的刹车灯、转向信号灯、倒车灯和后雾灯都采用21W至27W、亮度为280至570流明的钨丝灯作为光源。尾灯、停车灯、侧显示灯和转向灯闪光灯使用亮度为40至130流明的钨丝灯，而前照灯使用高亮度的氙阴极荧光灯(HID)。但是在汽车照明中，越来越多的LED被用作光源。后中央高位刹车灯是第一个使用发光二极管的汽车灯。此外，在照明市场，其他外部灯和指示灯，如刹车灯，转向信号灯和内部灯已被取代的LED灯泡。近年来，车外灯，如日间行车灯(DRL)和前大灯，都开始改用发光二极管灯泡。预计汽车前灯将很快转向高亮度的发光二极管灯。此外，在车身内部，一些车载显示器的背光也开始使用发光二极管作为光源，如仪表板和薄膜晶体管显示器。汽车发光二极管照明系统的优势白色发光二极管的色温约为6000千，在视觉上几乎相当于自然光。人眼辨别颜色的能力在自然背景条件下最好。在晚上，人眼只能在自然颜色条件下辨别风景或道路边缘。发光二极管灯的平均寿命比钨灯和高亮度荧光灯管长，更稳定可靠。例如，可以降低故障的概率，并且不需要频繁更换灯泡，从而节省了许多麻烦。此外，发光二极管可以节省更多的能源。该发光二极管灯具有较小的形状，并且更容易安装到灯座中。它占用更少的空间，更容易与时尚的照明设计相配合。更重要的是，发光二极管刹车灯启动更快。发光二极管刹车灯的点亮时间仅为50毫秒左右，比钨丝灯泡的启动时间快250毫秒左右，从而降低了跟车碰撞的风险。此外，发光二极管是固态光源，可以承受更大的振动。驱动发光二极管灯的技术要求由于发光二极管的亮度与流经它的电流成正比，因此需要一个恒流源来驱动发光二极管。无论如何，流经发光二极管的电流必须保持恒定，以确保发光二极管亮度的一致性。此外，在任何情况下都必须将纹波电流控制在可接受的水平。因此，发光二极管驱动器的设计属于功率转换电路的设计，其特点是恒流输出而不是恒压输出。在设计发光二极管驱动器时，必须增加阻断电路，以防止电源反向运行。我们将遇到的另一个挑战是确保在冷启动或负载电源故障的情况下，发光二极管能够正常工作。正常运行时，汽车的电池电源电压在9V至16V之间(如12V系统总线)，而大型卡车的电池电源电压在18V至32V之间(如24V系统总线)。当负载断电或冷启动时，电池的输入电压范围将与正常范围大不相同。在发电机运行过程中，如果电池电源突然切断，此时发电机将继续发电，由发电机供电的电容器等耗电部件的电压将突然升高。如果不采取保护措施，电气设备将被损坏。如果发光二极管不是由恒定电流驱动的，发光二极管的电流将改变，导致发光二极管的亮度改变，这就是为什么当前的汽车灯闪烁。以下是负载中断测试的定义，用于模拟一些突然负载中断的情况。不同的汽车制造商采用不同的标准，因此负载中断测试的定义也不同。图1只是一个例子。图1负载关闭测试的定义尽管负载突然下降会导致负载电压上升，但大多数先进的交流发电机都配备了集中控制的负载切断箝位电路。12V总线系统的参考电平将被限制在35V和42V之间，而24V总线系统的参考电平将被箝位在50V和60V之间。天气寒冷时，启动装置会使电池电源电压急剧下降。图2显示了“冷启动”测试的典型波形。图2“冷启动”测试的典型波形由于发光二极管驱动器的输入电源端子连接到电池的输入端子，因此与驾驶安全相关的车灯，例如刹车灯，必须不受负载电源故障和冷启动的影响，甚至必须能够在这种情况下继续正常运行。典型情况下，12V总线系统的输入范围为6V至42V，24V总线系统的输入电压范围为12V至60V。发光二极管驱动技术电阻限流是发光二极管驱动方式之一，具有成本低、设计简单的优点。缺点是电流会随着直流电压和驱动电压的不同而变化，所以发光二极管发出的亮度也会发生变化。当电池电压相对较高时，驱动效率非常低，因为大部分功率将消耗在电阻器上。此外，限流电阻会产生大量热量，导致散热问题。所以这是一个简单但不是最有效的方法。第二种方法是线性电流稳定器，也称为恒流源。它的优点是设计简单，电流恒定。缺点是效率非常低，并且随着输入电压的增加，线性芯片所携带的电压降会更大，所以线性芯片也会产生大量的热量。然而，它改善了电阻限流方法中的电流波动。除了上述两种方法之外，还有一种开关电源型驱动方法。表1是三种不同方法的比较。采用开关电源作为发光二极管驱动器的方法效率高，电流恒定。由于开关电源转换器的高效率，它被越来越多的灯具制造商所采用。其最大的缺点是电路设计比较复杂，成本相对较高。表1三种发光二极管驱动方法的比较用于高亮度汽车灯的升压/降压发光二极管驱动器为什么我在汽车照明中需要一个升压/降压发光二极管驱动器？这是因为电池电压波动。当电压波动时，我们需要保持流经发光二极管的电流恒定。无论输入电压是高于还是低于输出电压，升压/降压发光二极管驱动器都可以确保电流保持恒定。这确保了当负载断电和冷启动时，安全相关的照明灯能够保持恒定的亮度。此外，多样化的发光二极管汽车照明应用也需要不同的发光二极管驱动器拓扑。一些汽车灯具制造商希望有一个可以应用于不同照明系统的不同发光二极管配置的发光二极管驱动平台。升压/降压发光二极管驱动器是大多数高亮度汽车照明系统的理想驱动器解决方案。LM3423(图3)是NS公司的升压/降压发光二极管驱动芯片。它不仅能提供快速调光控制、可靠保护、故障显示等功能，还能配置升压、浮降压和浮升压/降压发光二极管驱动器，以满足不同发光二极管板载驱动器的要求。图3 lm 3423升压/降压应用原理图用于发光二极管背光系统的升压发光二极管驱动器在一般应用中，我们将使用升压恒流发光二极管驱动器来驱动大量的发光二极管串。具有这种配置的发光二极管背光系统可以为汽车仪表板和导航系统显示器提供背光。此外，汽车仪表板显示器必须配备调光控制功能，以控制发光二极管背光的亮度。例如，当周围环境较亮时，可以增加亮度，而当周围环境较暗时，可以降低亮度，以防止驾驶员的眼睛无法适应急剧的亮度变化，从而影响驾驶安全。此外，具有脉宽调制调光功能的控制器必须具有良好的对比度，即良好的线性调节。脉宽调制信号是一系列脉冲信号。我们可以通过切换电流开关来控制脉冲的发射，从而使发光二极管发出超过100赫兹的闪光。这样，视觉上我们会感觉到亮度降低了，因为人眼过滤/平均了亮度。调光功能是通过调光占空比来实现的。如果器件的占空比小，调光范围将更大，并且具有更好的线性度。通常有两种方法：一种是模拟信号调光，另一种是脉宽调制信号调光。因为模拟调光是通过改变发光二极管的电流来实现的，当发光二极管的电流改变时，发光二极管的颜色也会改变，所以我们通常选择脉宽调制调光作为亮度控制方法。当采用这种方法时，在不改变发光二极管颜色的情况下，发光二极管可以打开或关闭LM3423支持快速调光控制和“0”关断电流功能，适用于汽车导航系统显示器和仪表板的发光二极管背光系统(图4)。它可以确保流过每个灯的电流是一致的，并且在发光二极管下面串联一个金属氧化物半导体管作为用于调光控制的开关。其中，nDIM引脚负责执行输入欠压闭锁和脉宽调制调光功能。每当输入脉宽调制信号时，DDRV引脚将驱动二极管二极管场效应管，并命令串联的发光二极管快速切换以控制亮度。调光控制频率可高达50千赫。图4 LM3423升压发光二极管驱动器图5示出了调光效果的比较。可以看出，相同的开关可以维持在非常低的占空比，并且流过发光二极管的电流是恒定的。图中所示的调光占空比为0.5%，输入电压为12V，发光二极管电流为100毫安，驱动器数量为每串10个发光二极管。这里的调光频率是230赫兹。当周围环境的亮度变暗时，汽车显示屏的发光二极管背光会降低灯的亮度。如果占空比很小，亮度可以调节得很低，当环境亮度很暗时，仪表板的亮度不会刺眼。图5 lm 3423调光控制效果比较当使用传统的升压模式驱动器时，存在一个问题：无论控制器是否驱动，在其输入和输出之间都有一条路径。在这种情况下，输入端的电池将有一条通向负载的直流路径，从而导致泄漏。当用于车载照明时，当汽车长时间不使用