适用于汽车照明的LED驱动模块的研发

1、收稿日期 :20110623适用于汽车照明的 LED 驱动模块的研发许建荣杨劼顾立恒(泛亚汽车技术中心有限公司 , 上海 201201【 摘要 】 简述了发光二极管 (LED 光源的特点 。 针对 LED 的伏安特性及对 LED 驱动的设计要求 , 提出3种 LED 驱动方式设计方案并作了相关分析 。【 Abstract 】 The characteristic of LED light source is expatiatedAccording to the volt-ampere characteristic of LED and LED driver design requirement

2、s , three kinds of LED drive methods are pro-posed and correlation analysis is made【 关键词 】 车灯发光二极管驱动模块doi :10. 3969/j.issn1007-455420110905随着半导体材料和封装工艺的提高 , 发光二 极管 (LED 的光通量和出光效率逐渐提高 , 从而 使固体光源成为可能 ,LED 已被广泛应用于交通 灯 、 汽车灯具 、 广告牌等特殊照明领域 , 并且逐渐 向普通照明领域过渡 。 在汽车照明领域 , 由于汽 车电源的波动特殊性 , 对 LED 的控制提出了一定 的要求 ,

3、 本文通过对 LED 物理特性的分析 , 得出 LED 驱动设计的要求 , 并提出了 3种适用于汽车 照明的 LED 驱动方法并加以分析 。1LED 的相关概念11LED 的工作原理LED 作为一种新型的照明光源已被逐渐应用于生活和生产的各个领域 。 在汽车照明领域 ,LED 以其卓越的安全性 、 可靠性和节能性 , 成为汽车照 明系统的新宠和主流 , 给汽车车灯的升级和革命 带来了契机 , 具有一定的经济价值 。 LED 的核心是 PN 结 , 具有正向导通 , 反向截 止 、 击穿等特性 。 在用直流电给 LED 供电时 , 只有 加载在 LED 上的电压值超过其导通电压时 ,LED 才会

4、导通发光 。 LED 的伏安特性曲线是非线性的 , 即流过 LED 的电流和加载在 LED 两端的电压 不成线性比例 , 如图 1所示 。 根据该伏安特性曲线 :LED 在达到正向导通电压后 ,其正向电压的微 小变化都将引起流经 LED 的电流急剧变化 。 若流过 LED 的电流失控 ,LED 长期工作在大电流下将 影 响 LED 的可靠性和寿命 , 因此需要对 LED 做限图 1LED 的伏安特性曲线32流控制 。12LED 的分类LED 用于汽车按结构分类 , 主要可分为直插 式 、 食人鱼 、 SMD 式和 SNAP 式几种 。近几年 , 大功率 、 高流明的 LED 也逐渐被广泛 应用

5、 , 如 OSRAM 的 GoldenDragon 和 LUXEON 的 K2和 Rebel 系列 LED 。 这类大功率 LED 的特点 是亮 度 很 高 , 这 样 在 相 同 的 亮 度 要 求 下 可 减 少 LED 的使用颗数 。 在车灯应用领域 , 适用于前位 置灯 、 DRL 、 雾灯等亮度要求较高的灯具类型 。 但 这类大功率 LED 的问题在于其发光芯片的温度很 高 , LED 容易受自身热量的影响而产生光衰 , 必须 使用铝板或铝支架对 LED 进行散热 。13LED 的特点LED 由于其特殊的一些优点 , 被广泛应用于 汽车信号灯 , 如尾灯 、 制动灯 、 转向灯及高位

6、制动 灯等 。 LED 与传统光源相比较的优点如下 :(1 体积小 , 可以实现较紧凑的光学设计 , 设 计灵活性大 , 可以根据灯具外部造型随意组合以 匹配各种造型的汽车 。(2 启动迅速 , 可频繁切换 。 LED 无须热启 动时间 、 亮灯反应时间短 。 LED 制动灯可使汽车 追尾事故发生率降低 。 数据显示 , LED 灯能降低 50%的追尾事故的发生率 。(3 具有较高的发光能效 , 比同等亮度的卤 素灯节能近一半 。(4 使用寿命长 :使用寿命大于 1万 h 。(5 LED 为固体光源 , 眩光小 , 抗震动和耐冲 击性能强 。(6 LED 为冷光源 , 它的电能除一部分转换 为

7、光能后 , 其余的能量转化为传导热传导至自身 , LED 产生的辐射热量很少 。 这样对于灯具机械结 构设计的散热要求降低 , 灯具不会因为长期受热 而变形 。2LED 的驱动方式LED 灯具按灯具类型分主要有 :尾灯 、 雾灯 、 前位置灯 、 日间行进灯 、 高位制动灯及侧转向灯等 几大类 。 对于逐渐增多的 LED 灯具项目 , 合适的 驱动器设计非常重要 。 因为采用恒流方式的驱动 能够限制功率耗散和恒定亮度 , 保证 LED 的使用 寿命 , 所以 LED 驱动成为了车灯设计的重要部分 之一 。 LED 驱动方式主要有以下几种 :电阻限流 、 线性恒流 、 开关电源 (DC-DC 驱

8、动式 。 下面对这 3种 LED 的驱动方式作相关分析 。21电阻限流驱动式211电阻限流驱动式结构电阻限流驱动式属于线性驱动方式 , 电阻驱 动式就是将限流电阻串联在电源和 LED 负载之 间 , 从而对流经 LED 的电流进行限流 , 保护 LED 不被过大电流烧至短路 。 这种驱动方式的典型电 路见图 2 。图 2电阻限流驱动式电路结构212电阻限流驱动式计算公式如图 3所示 , 存在以下计算关系 :限流电阻 R =UinyUFUDxIF变形后得 I F =UinUDxRyxRUF式中 :U in 为电路的输入电压 ; U F 为 LED 的正 向压降 ; I F 为 LED 的正向电流

9、 ; U D 为防反接二极 管的压降 ; y 为每串 LED 的数目 ; x 为并联 LED 的 串数 。 由上式可知 , 当限流电阻选定后 , I F 与 U F 成线性关系 。213电阻限流驱动式的特点电阻限流驱动式的优点是 :电路简单 、 无电磁 干扰 (EMI 问题 。 缺点是 :(1 当输入电压波动 时 , 通过 LED 的电流也会随电压的变化而变化 , 调 节性能差 , 因此 LED 的亮度也随输入电压的变化 而变化 , 即无法对 LED 进 行 恒 流 控 制 从 而 保 证 LED 在波动的输入电压下保持光通量的一致性 ;09 图 3电阻限流式驱动电路计算用图(2 由于限流电阻

10、 R 的接入损失功率为 xRI 2 F, 并以 热能形式释放 , 因此驱动电路的工作效率一般低 于 30%。22 线性恒流驱动式221线性恒流驱动式的结构线性恒流驱动式也属于线性驱动方式 。 线性 恒流驱动式的核心是利用工作于线性区的功率三 极管或 MOS 管作为一动态可调的电阻串联在驱 动电路中 , 来控制流过负载的电流 A 。 其结构图见 图 4。图 4线性恒流驱动式电路结构222线性恒流驱动式的工作原理线性恒流驱动式的调整原理如下 :负反馈环 路 (负反馈环路的核心是一个电压误差放大器 会 持续地对输出电压和稳定的基准电压之间进行比 较 , 当输出仅有几毫伏误差时 , 通过改变串联调整

11、单元 (三极管 的导通电阻 , 即可调整输出 。 223线性恒流驱动式的特点根据线性恒流驱动电路的原理可知 :线性恒 流驱动可保持通过 LED 的电流为常数 , 防止了过 大电流对 LED 造成的损坏 。 从电磁兼容性的角度 考虑 , 线性恒流的驱动方式产生的噪声很少 。 而 且线 性 恒 流 驱 动 的 工 作 方 式 效 率 有 所 提 高 , 在 30% 40%之间 。但这样的驱动方式仍然存在缺点 :首先 , 线性 恒流驱动中的串接三极管上存在过大功耗 , 所有 的负载电流都必须通过串接晶体管 , 如果系统不 能将最高环境温度时由损耗所产生的热量散发 掉 , 就必须设计散热方案 ; 其二

12、 , 由于三极管是串 接在电路中的 , 如果由于三极管上功耗过大而导 致三极管损坏 , 则整个电路都将失效 , 导致 LED 无 法点亮 。23开关电源 (DC-DC 驱动式上述两种驱动技术不但受输入电压范围的限 制 , 而且工作效率低 。 开关电源是目前能量变换 中效率最高的 。 这种驱动方式可实现小型化驱动 模块的设计 , 图 5是某车型的 DRL 的 DC-DC 式驱 动模块 。图 5某车型 DRL 驱动模块231DC-DC 驱动式的结构DC-DC 驱动式的主流应用中 , 按结构可分为 降压式 (Buck 、 升压式 (Boost 、 升降压式 (Buck-Boost 3种 。 Buck

13、 控 制 , 其 电 路 结 构 参 见 图 6; Boost 控制 , 其电路结构参见图 7; Buck-Boost 控 制 , 其电路结构参见图 8。图 6Buck 电路结构52 图 7Boost电路结构 图 8Buck-Boost 电路结构232DC-DC 驱动式的工作原理开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断状态 。 DC-DC 驱动方式的核心是 PWM 脉宽调制 技术 ,该驱动方式将快速通断的晶体管置于输入 与输出之间 , 通过调节通断比例 (占空比 来控制晶体管的导通时间 ,从而控制输出高频方波脉冲 电压的高低电平时间 , 该高频方波脉冲电压 , 再经 过电容平波后变成需要的直流电

14、压输出 , 方波脉 冲的平均值就是直流输出电压 。 整个电路采用输 出负反馈 , 通过检测输出电压并结合负反馈控制 占空比 , 稳定输出电压不受输入电压和输出负载 变化的影响 。 233DC-DC 驱动式的特点DC-DC 驱动式由于其特殊的 PWM 控制方式 , 具有以下特点 :(1 DC-DC 驱动式是通过重复通 /断的开关方式把直流电变换成高频方波电 , 再经过平波后变成需要的直流电输出 ; (2 具有闭环负 反馈系统 ,可实现高精度的恒流控制 ; (3 具有很 高的工作效率 , 优化情况下可达到 80%的工作效率 , 相比于前两种驱动方式其散热量小 ; (4 当提 高工作频率 , 可相应

15、减小所用元器件的尺寸体积 , 从而实现驱动模块的小型化 。 但这种驱动方式也 同样存在缺点 :首先 , 由于电路的复杂化 , 其设计 周期较长 , 并需要具备一定的技术手段 ; 其次 , 这 种驱动方式由于电路的复杂性会使用专用 PWM 芯片及更多元器件 , 所以实现成本很高 ; 第三 , 由 于晶体管一直工作在开关状态 , 在 EMI 方面会成 为比较棘手的问题 , 这种驱动方式产生的电磁干 扰最多 。3结语综合上述分析 ,LED 的 3种驱动方式各有利 弊 , 设计灯具时应根据灯具种类的实际使用情况 如 :灯腔温度要求 、 发光一致性要求及成本控制方 面确定驱动方式 。 线性控制方式电路简单 、 成本很低 , 但功耗大 、 热量多 、 工作效率低 ;