[硕士论文精品]汽车led转向灯恒流驱动电路的设计

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LED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LED驱动是整个汽车LED照明系统性能的前提。由于LED驱动输出特性取决于LED的特性及驱动芯片，因此本文从LED发光原理出发，分析了高亮LED的发光机理，据此设计了相应的高亮度LED驱动电路，满足汽车电子应用环境要求。目前，车用恒流LED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LED的发展现状出发，选择合适的LED作为实验对象，介绍了LED照明的特点和LED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MAXL6823和BOOST升压电路设计了一款汽车LED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。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03以内，闪光频率80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，555方波信号发生器，MAXL6823，BOOST升压电路、恒流驱动电路ABSTRACTWITHTHEIMPROVEMENTSOFECONOMY,PEOPLESLIVINGSTANDARDSANDTHETECHNOLOGYOFAUTOMOBILEINDUSTRYINCHINA，THEREHAVEBEENINCREASINGLYGREATERREQUIREMENTSFORTHEAUTOMOBILESAFETYTOACHIEVEGREMERSAFETY,THESIGNALLAMPSCANHELPTHEDRIVERTOSENDCORRECTANDTIMELYRUNNINGSIGNALSANDTOHAVEAGOODVISUALRANGEWHILEDRIVINGATNIGHTTHECONSTANTCURRENTLEDDRIVERCIRCUITISTHEHOTPOINTINTHEAPPLICATIONOFPRESENTAUTOLAMPSWHILEACONSTANTCURRENTLEDDRIVERISTHEPREREQUISITEOFTHEWHOLEAUTOLEDLIGHTINGSYSTEMASTHELEDDRIVERSOUTPUTDEPENDSONITSCHARACTERISTICSANDTHEDRIVERCHIPS，THISTHESISANALYZESTHELIGHTEMITTINGMECHANISMANDPUTSFORWARDADESIGNOFHIGHBRIGHTLEDDRIVERCIRCUITTOMEETTHEAUTOSREQUIREMENTSFORELECTRONICAPPLICATIONBASEDONTHECURRENTDEVELOPMENTOFLED，THISTHESISINTRODUCESTHECHARACTERISTICSOFLEDLIGHTINGANDTHELEDOPTICALPARAMETERSANDCHOOSESLEDFOREXPERIMENTBYSUMMARIZINGTHETYPICALCIRCUITSOFILLUMINATINGDRIVERCIRCUITSANDINTEGRATEDCIRCUITS，ANAUTOTURNLIGHTBASEDONCHIPMAX16823ANDBOOSTCIRCUITISDESIGNEDALSO，ANAUTOLEDCONSTANTCURRENTDRIVERCIRCUITISPRESENTEDINDETAIL，WHICHADOPTSTHECOMMONINTEGRATEDCHIPALTHOUGHTHESTRUCTUREOFTHECIRCUITISSIMPLE，ITHASSUCHSTRENGTHSASSTABLESHININGFREQUENCY,CONSTANTCURRENTOUTPUT，HIGHACCURACY,QUICKDYNAMICRESPONSE，SMALLRIPPLE，LOWNOISE，ANDLEDOPENDETECTIONTHECIRCUITCANBEUSEDINAUTOHIGHBRIGHTLEDLIGHTINGSYSTEMBYANALAZINGTHETHESIMULATIONPULSEANDDATAOFDRIVERCIRCUIT，THEDESIGNEDDRIVERCIRCUITCANREALIZECONSTANTCURRENTOUTPUTTHEACCURACYOFCURRENTISLIMITEDWITHIN士O3ANDTHESTABLESHININGFREQUENCYIS80TIMESPERMINUTETHECIRCUITSPERFORMANCEISGOODANDITSPRICEISLOW,COMPAREDWITHOTHERCIRCUITSTHESIMULATIONOFTHEWHOLECIRCUITINDICATESTHATTHISCIRCUITHASACHIEVEDTHEDESIREDFUNCTIONSANDRESEARCHTARGETKEYWORDSHIGHBRIGHTLIGHTEMITTINGDIODES；555MULTIVIBRATOR；MAXL6823；BOOSTCIRCUIT；CONSTANTCURRENTDRIVERCIRCUITII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20，若能以高效率的LED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LED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LED照明系统的典型应用。汽车LED灯具的使用逐渐成为未来一代汽车的主要特征同时，采用LED也可带动技术上，甚至汽车设计风格上的变化。LED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NMW幽1I现代汽1中LED照明系统的典14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HIDHIGIIINTENSITYDISCHAREHEADLAMPS，氮气头灯灯以及LEDLIGHTEMITTINGDIODE发光二极管灯。LED经过30多年来的发展，中国LED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，LED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LED技术，并使用了LED驱动电路。而LED驱动电路是随着白光LED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LED灯。现在汽车上已经采用LED刹车灯、转向灯、散雾灯来代替白炽灯。新一代固态冷光源LED于上世纪60年代问世，直到80年代之前，当时由于LED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。80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CHMSL使用，首先使用LED汽车光源为NISSAN300ZX、NISSANPULSAR、等车款。目前已有80以上的欧系和日系汽车安装了LED中央高位刹车灯N1。进入90年代，普遍采用LED这种固态新光源作为汽车仪表LCD面板背光照明。进入新世纪后，随LED亮度和功率的提升，除了汽车前照灯外，LED全面进入了汽车照明和信号系统中的应用。2000年CADILLAE所推出的DEVILLE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LED车灯是桑塔纳2000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2000年通过上海大众汽车公司认证而投产。此后，德国奥迪已于2004年在A8汽车中率先采用LED车头灯，法国富奥公司展示了用4个LED做成的高位刹车灯，还有用一个LED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2010年，绝大部分汽车尾灯照明将采用LED，包括倒车灯和牌照灯在内。2000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LED。新奥迪A8轿车侧面转向灯、行车灯、刹车灯和转向灯等，也全部使用了LED。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LED灯具，很多中端汽车目前也纷纷采用LED阵列作为刹车灯、转向指示信号灯【2】【31。目前，利用高亮度LED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、ARIAROMEO、BMW、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25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50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800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LED在汽车上的应用提供了广阔的市场空间。按目前LED的技术水平，一辆汽车需要300多个LED，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10亿元的年产值。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LED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，LED光源有节能、无污染、寿命长等优点，用LED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。12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LED灯，汽车上已有刹车灯、转向灯、散雾灯采用LED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LED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LED来实施每一个这样的功能，对于实现多个LED的驱动，需要专门的驱动电路来点亮LED。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LED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125、150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【51。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，2004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NE555，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NE555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，NE555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U2043B、UAAL041、L9686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，JTLLZL041、LD7208、BUL041、LTL041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SG、SGD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1CATMEL公司生产的U2043B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RC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IC模块发出控制信号驱动输出继电器实现【8J。采用LT4761研制一种RTDSGA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ZFJQ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2002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10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【LO】。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LED，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LED灯闪光控制方法，来克服上述不足，该设计采用MCU采用MICROCHIP公司的PICL2F683及辅助控制电路替代了常用的闪光专用控制ICU2043B，克服了常规闪光控制器不能有效识别LED模块负载的弊端。MCU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LED用于汽车前灯是未来发展方向，其中HBLED曰行灯已经开始作为产品应用于一些高档汽车，采用汽车LED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MAXL6831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LED恒流驱动电路，实现升压驱动，可驱动多颗LED，还能输出700MA到1A的恒流电流，实现LED的恒流驱动和PWM调光，并能满足同行灯的有关驱动要求。有一款采用AT9933芯片的PWM恒流LED，其驱动、拓扑和调光方式分别采用开关型变换器、BOOSTBUCK拓扑和PWM调光方式，负载采用8颗1W大功率白光LED串联，电流精度达23；当输入电压为12V时，输出电压为2512V，电路转换效率达8044。通过上述研究分析，利用车用LED驱动芯片与转换电路实现LED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MAXL6823专用驱动器搭建升压转换器共同实现LED的升压驱动任务。目前与没有发现利用MAXL6823设计的汽车LED转向灯驱动电路。综上所述，发现国内LED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。LED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PASSAS、标致307CC、上海华普、比亚迪F3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80、70和50以上的高置灯都采用了LEDELL】。虽然2009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LED电源的需求量还是很大，相应的高端LED产品的出口量受金融危机影响较小。2008年中国LED应用产品产值已超过450亿元RMB，LED汽车灯具、LED示范应用路灯、LED全彩显示屏显示器件、太阳能LED、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【121。但是在市场一片繁荣的背景下，LED产品质量良莠不齐，对驱动电源的要求混乱，市场上LED产品如火如荼的发展态势下，就LED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LED驱动器挑战更高的转换效率，尤其是在驱动大功率LED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LED节能效果的发挥。第三，以大调光比、高效率地对LED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15W的应用场合，恒流驱动电源成本所占的比重已经接近13，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LED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，LED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LED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【13】【14】【15】。13主要研究内容本文主要任务是基于车用驱动芯片MAXL6823搭建开关电源升压电路BOOST的驱动电路，设计出一种汽车高亮度LED转向灯恒流驱动电路。设计要求驱动电路工作电压范围为636V，输出电压3036V，输出LED电流恒定达到350MA，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80次MIN且闪光频率可调；具有LED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LED驱动芯片MAXL6823、主功率拓扑BOOST升压电路和方波信号发生器，共同实现对LED点阵电路的驱动。输出电路采用两串两并2S2P架构，将两组LED分别接入16823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LED末端晶体管的通断，实现LED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MAXL6823，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DIM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MOSFET丌关管，和外围元器件实现升，K任务，驱动两组LEDJ下常工作。MAXL6823管脚11REG端始终能输出稳定的直流34V电压，经过升压电路为方波信号发生器提供直流5V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BOOST升压转换电路，是由R单个MAXL6823具有可调恒定的输出电流最高只有70MA，不能满足设计要求，本文搭建开关电源升压电路共同实现LED驱动，确保LED点阵电路实现设计要求。3输出电路采用两串两并2S2P架构，LED采用串联连接方式，将两组LED分别接入MAXL6823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LM555CH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MAXL6823来控制LED点阵光通量。另一路控制LED末端晶体管的通断，实现LED交替闪烁的功能。5输入电路是由滤波电容、CMOS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CMOS管作电源防反接保护，当电源正接时，CMOS管导通，电路正常工作当电源反接时，CMOS管截止，电路不工作，可以有效保护驱动电路。6保护电路由LED丌路检测控制电路和LED开路保护电路组成。开路检测控制电路由MAXL6823管脚6LEDGOOD经过非门电路驱动LED；开路保护电路是在输出端并联一个齐纳二极管以限制MAXL6823的OUT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MULTISIM仿真软件进一步验证设计电路的正确性。714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LED转向灯驱动电路的意义。首先回顾了LED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LED及其在汽车信号灯中的应用主要目的是介绍LED相关特性。首先阐述了高亮LED的发光原理；接着对LED相关特性进行详细的分析；最后，结合汽车信号灯讲述了LED在此领域中应用的优缺点。第三章是高亮度LED驱动电路原理重点是LED的BOOST升压电路分析及应用。首先介绍了LED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LED的BUCK降压、BOOST升压、BUCKBOOST降压升压三种DCDC转换电路拓扑结构，重点对BOOST进行详细的分析；再介绍了选择LED拓扑电路的依据；最后，对典型的LED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LED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LED，结合LED正向导通压降、单个LED光通量以及系统所需光通量，确定LED点阵所需LED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LED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MULTISIM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LED方面的研究有着“启明灯”的作用。82高亮度LED及其在汽车信号灯中的应用随着LED照明技术不断发展，单个LED光源的光通量和功率也在迅速增加，就目前LED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，LED在汽车信号灯中的应用是最具潜力。为全面认识LED，本节首先阐述了高亮度LED的发光原理，接着对LED相关特性进行详细的分析，最后，结合汽车信号灯讲述了LED在此领域中应用的优缺点。21LED的发光原理高亮度LED1IGHTEMITTINGDIODE，简称写为LED1161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GAN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PN结【17】，因此它具有一般PN结的IV特性，即正向导通，反向截止，发光原理图如图21所示。当在发光二极管PN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PN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PN结上加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光【博J。图21LED的发光原理在LED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。LED的发光亮度与工作电流大小成线性关系，即通过LED的正向电流越大则LED越亮，电流稳定度将影响LED发光稳定性。也因此，采用能提供精确电流的LED9驱动电路成为汽车照明的主流。22LED的电学特性控制LED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，LED发光。本节以分析高亮度HPWAXH00LED的特性为例，图22为正向压降VF和证向电流的IF关系曲线，由IV特性曲线可知，当征向电压超过某个阈值约2V，即通常所说的导通电压之后，可近似认为IF与VF成J下比近似线性关系191【201。即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。J|F|。7OO51O152UZ5、LN图22HPWAXH00LED的VF与IF关系曲线23LED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1M。是LED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，LED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LED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IF的关系曲线如图23所示，因此采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。10加钟柏加MO量蕾_亟圭堂焦迨塞塑至婴筮臼塑垣逾壅生丛造丝缝过U2004006008001000IFLLA图23HPWAXH00LED的光通苗V和IR关系曲线HPWAXH00LED的光通量V与温度关系曲线，由图24可知光通量与温度成反比，85时的光通量是25时的一半，而一40时光输出是25时的18倍。温度的变化对LED的波长也有一定的影响【221，因此，良好的散热是LED保持恒定亮度的保证。；20E181614121O080604020、。402002040608090温度，幽24LED的光通量V与温腰的关系曲线IR60MA2发光强度LED有红外非可见与可见光两个系列，IJ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。LED的光强用于表征它在某个方向上的发光强若，由于LED在不同的空间角度上光强相差很多，随之而来人们研究了LED的光强分布特性。这个参数的实际意义很大，直接影响到LED显示装置的最小观察角度。LED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90度12”。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LED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LED所发的光并非单一波长，无论用什么材料制成的LED，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。LED的效率有内部效率PN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。LED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555NM处有一个最大值680LMW。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PLP2D221FIK2P2D2225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LED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CDM2或NIT尼特。其正法线方向上的亮度为BDIOA23若光源表面是理想漫反射面，亮度BO与方向无关为常数。晴朗的蓝天和荧光灯的面亮度约为7000NIT尼特，从地面看太阳表面亮度约为14108NIT。LED的发光亮度与外加电流密度JO有关，对于一般的LED，JO增大时BO也增大。另外，发光亮度还与环境温度有关，环境温度升高时，RLC复合效率下降，BO减小。当环境温度不变时，电流增大足以引起PN结的结温升高，温度升高后，亮度呈饱和状态【24J。6寿命LED寿命一般都很长，在电流密度JO小于1ACM2的情况下，寿命可达106H，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。LED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JO和老化时间常数R有关，可描述为EBDE咖24式中BT为T时间后的亮度，BO为初始亮度。24LED的温度特性1温度对白光LED正向电压的影响LED伏安特性的数学模型可以表示为砟圪，。一。RSIFVR彳RXR一25“C25其中，圪。一。是LED的启动电压，RS表示伏安曲线的斜率，IF表示LED的正向电流，T环境温度VFT是LED币向电压的温度系数，对于大多数LED而言，它的典型值为一2VC2S】。从LED的伏安曲线及数学模型看，LED在正向导通后其J下向电压的细小变动将引起LED电流的很大变化，并且环境温度，LED老化时间等因素也将改变影响LED的电性能。而LED的光输出直接与LED电流相关，所以LED驱动电路在输入电压和环温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小。否则，LED的光输出将输入电压和温度等因素变化而变化。2温度对自光LED正向电流的影响从图25可以看出当环境温度升高时所允许的额定电流会降低。通常，当温度由25。C升高至85时，额定电流由30MA下降至6MA。若采用恒压驱动方式，LED正向导通后，外加正向电压的细小变动都将引起正向电流的很大变化，从而有可能导致其超过额定电流。40O苗3020LOO。7020406080100温度，图25LED正向电流的最大绝对值随环境温度的升高而降低25LED的一些基本参数1允许功耗PM【26】13允许加在LED两端的J下向直流电压与流过的电流之积的最大值。若超过此值，LED会发热损坏。当流过LED的电流为IF、管压降为VF则功率消耗为PVFIF。当LED工作时，若外加偏压、偏流一定，则会促使PN结内的部分载流子复合发出光，还有一部分变为热能，使结温升高。若结温为1J、外部环境温度为TA，则当TJTA时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量功率，可表示为PKTTJTA2最大正向直流电流IFM允许通过的最大诈向直流电流。若超过此值会损坏二极管。3最大反向电压VRM允许加的最大反向电压。若超过此值，发光二极管会击穿损坏。4工作环境TO。M发光二极管可F常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。此外，高亮LED还具有结温、储存温度、焊接时间等参数。基于以上分析不难得出这样的结论用恒压方式驱动LED方案的可靠性较差，为确保驱动电路提供准确恒定的电流源，使多只LED具有匹配的亮度和色度，应选用恒流驱动方式来可靠地驱动它们【271。本文就是实现了一种对高亮LED的恒流驱动。26LED作为汽车信号灯光源的优缺点及应用领域目前，随着科学技术的发展，LED的性能逐步提高，使其得到广泛应用。并且，随着材料的发展，更亮、更多色彩的LED将会被用到车外光源信号灯设计中去。LED作为新型的汽车照明光源，其显著优点主要表现在以下几个方面【28】【29】【30】【31】1LED作为新型光源的显著优点1发光效率高、耗能低LED光源不需要滤色就能直接产生汽车灯具需要的琥珀色、红色等颜色，无损耗，电能利用率高达80以上。我国目前照明用电近2500亿度，若其中13采用半导体照明，每年可节电800亿度，与三峡电站的年发电量大体相当。美国能源部DOE的报告中称，照明消耗的电力占美国发电量的23。该部门资助了个固态光源丌发项目，预期目标是光效为2001MW。一旦该研发项目成功并得到应用，每年节约的电能可超过300亿美元。由此可见，LED的潜在经济效益是非常可观的。2无须热启动时间、亮灯响应速度快汽车信号灯是LED应用的一个重要领域，LED启动时间仅需60NS，普通自炽灯灯泡的启动时间一般为100300MS，对于事关重要的制动灯来说，这样的时问差距意味着高速行驶时的制动距离相差4一7M，从而使汽车追尾事故发生率降低5。3体积小、重量轻14发光二极管体积小、发热量低、可大幅缩小汽车灯具的厚度，增加汽车的可用空间，设计灵活性大，可以随意变换灯具模式，适用各种造型的汽车。4寿命长发光二极管使用寿命长达到100000小时，免维护，在整个汽车使用期限之内有可能不用再更换灯具。LED的冷光特性，使灯具不会因长期受热而变形，从而提高了整套灯具的寿命。传统的光源是无法与之相比。由于发光二极管LED寿命长，可以节省维护费用，节约能源。5外型设计弹性大汽车灯具是汽车造型必不可少的装饰部分，发光二极管为点光源，其体积小并具有低电压驱动的特性，因此可依设计者的理念，创造出与众不同的设计效果，打造出汽车灯具独特的风格。6绿色照明光源，有利于环保LED光谱中单色性好，没有多余红外、紫外等光谱，不含汞、钠元素等可能危害健康的物质，且热量、辐射很少。另外，LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。2LED作为新型光源仍存在F述缺点1光通低、价格高例如单个1W的LED器件，光通量约为251M，质量好的售价要超过50元，差的也要20元。而251M的光通逯对于普通照明而言太小了，一只普通的60W白炽灯的光通量大于7001M，也就是晚，要代替传统照明需要多个LED器件，还要加上点灯线路、灯壳、灯头等，如此T五的成本是白光LED在普通照明中的最大问题。2功率低市面上的单体LED功率一般住5W以下，还没有出现更大功率的LED，这是目前LED难以成为照明首选的最大瓶颈。3需要严格控制温度LED是一种半导体材料，与普通二极管一样具有PN结，由于高亮二极管的功率相对较大，所以与功率半导体器件相同，需要考虑散热问题，结温过高会直接影响LED的寿命，并且会增大LED的光衰，情况严重的会将LED烧坏。不久将来LED要成为未来照明的主流光源，就一定要朝着大流明方向发展，成本才可能降低，市场才可能突破。3LED作为新型光源的汽车高亮度照明中的应用1LED在汽车内部照明灯中的应用车内照明主要是各种仪表的照明和显示，如仪表盘和控制板背光源、中央控制台背光源、导航、音响秕统等照明。152LED在汽车信号灯中的应用汽车信号灯主要指中央高置刹车灯、转向灯、尾灯、车后组合转向灯、反光镜转向信号指示灯等。目前对其照度和颜色都有明确的规定。目前，应用较多的车外照明是高置刹车灯。亚洲车型的8090、欧洲车型的7080、美国车型的50高置刹车灯采用HBLED。丰田、奥迪、通用的部分高档轿车已采用OSRAMHBLED前灯模块。未来。未来23年豪华车信号灯将采用HBLED。最终LED将逐步实现从汽车内部、后部到前部的转移，最终占据整个汽车车灯市场。凭借着汽车的巨大产能，LED车灯市场面临着巨大的发展潜力【32】。3LED在汽车前照灯中的应用初见端倪前照灯是汽车在夜问行驶时照明前方道路的灯具，是保障汽车安全运行的重要部件之一。前照灯的照明距离越远，配光性越好，汽车行驶的安全性能也就越高。汽车前照灯发出远光和近光两种光束，其中远光在无对方来车的道路上，汽车以较高速度行驶。远光应保证在车前100M或更远的路面上得到明亮而均匀的照明。163高亮度LED驱动电路原理本章首先介绍了LED串联、并联、混联三种连接方式，设计本文LED点阵电路采用串联连接方式；接着，介绍了LED的BUCK降压、BOOST升压、BUCKBOOST降压升压三种DCDC转换电路拓扑结构，重点对BOOST升压电路进行详细的分析，再介绍了选择LED拓扑电路的依据；最后，对典型的LED集成驱动电路进行介绍，通过对比各自优缺点，最终确定本文驱动照明系统的驱动方案。31LED的连接方式LED在车用照明电路的设计中，应用十分广泛。目前单颗大功率高亮度LED的造价高，主要形成的是点光源，能大规模、大范围使用尚需时日。目前主要使用单只小功率高亮度LED组成LED点阵电路来实现平面发光，能应用于多种光源照明的电路中，因此，需要将多个LED按照相应连接组合起来，能够满足较高亮度、较大范围、色彩变幻等应用的要求，也能够满足与驱动电路的驱动匹配要求【331。下面结合本文所需LED矩阵分别给出三种LED常用的连接方式，来驱动8个1WLED组成的照明系统。311串联连接方式串联接法如图31所示，把LED依次首尾相连，可以确保流经每个LED的电流都相等。由于LED是电流型器件，对于同一批次和规格的LED来说，尽管单个的LED上的电压可能有微小的差异，仍然可以保证各自的发光强度均匀、一致，很容易实现亮度的匹配。而且升压转换电路在其最大工作周期内可以有适当的升压比，能提供一个足够大的电压来驱动LED。此种方式驱动LED电源的利用率很高，因此串联形式的LED具有连结方便、电路简单等优点，但缺点是，LED所需输出电压较高，当某一LED断路时，整个LED串将全部不亮。但是可以在每个LED两端并联一个导通电压比LED高的齐纳管。当某个LED断路时，并联的齐纳管会导通工作，起到续流的作用，故又被成为续流二极管，见图32所示。17LEDI刍心比眦心LED3心LED潦LEDS心LED6潦LED7LED8图31串联连接方式R磊LIDIT,。LED2、心、LLED3_、Z潦。LLED452心LLED5_、2心、。LLED6、2心LLED匹2心。LLEP8I_LNT卜，DS图32改进后的串联连接方式在这种配置下可以保证流每个LED的电流都相等，并且是确保LED都发出均匀亮度的最佳办法。但是LED矩阵所需电压较高，故需要解决LED升压问题。这方面的应用实例包括闪光灯和汽车信号灯、刹车灯【34】。312并联连接方式并联接法如图33所示。与串联连接方式对比，这种配置的优点主要有，输出电压与串联方式比较低，任一条LED断路，不影响其他支路正常J【作，但是断路后，其他支路的电流会增大，会因LED过热，缩短使用寿命。解决办法是尽量多并联LED，当断开某一LED时，分配在余下LED电流变化不大，不影响余下LED正常工作。IEDL1ED2LFD3IED4IEDSIEN6IFD71ED8弋2心5Z心52心5Z心52心5Z心52心5一图33并联连接方式在这种配置下，LED的电气特性的区分特别是正向导通电压VF是非常重要的，由于LED之间的VF不同，会导致LED色彩和或亮度很难匹配。313混联连接方式混联接法有两种一种串并联方式如34所示，把所有的LED平均分配，在同一串L