汽车LED照明系统的挑战和解决方案

1、汽车LED照明系统的挑战和解决方案作者：时间：2009-07-17来源:一直以来，汽车的刹车灯、转向信号灯、倒车灯以及车尾雾灯都采用21W到27W、亮度为280至570流明的钨丝灯泡作为光源。车尾灯、泊车灯、车侧显示灯以及转向信号闪灯采用4W至10W、亮度为40至130流明的钨丝灯泡，汽车头灯则采用高亮度的氙气荧光管（HID）。但在汽车照明中，越来越多地采用 HYPERLINK /news/listbylabel/label/LED LED作为光源。尾部中央高位刹车灯是最早采用LED的汽车灯。另外，在车灯市场上，其他车外照明和指示灯如刹车灯、转向信号灯以及车内照明灯都已改用 LED灯泡。近年来

2、，车外照明灯，如白天行车灯（DRL），以及车头近光灯都开始改用LED灯泡。预计汽车大灯也会很快改用高亮度LED灯。此外，在车身内部，一些车内显示器的 HYPERLINK /news/listbylabel/label/背光 背光也开始采用LED作为光源，如仪表盘以及TFT显示器。汽车LED照明系统的优点白光LED的色温约为6000K，视觉上几乎等同于自然光。由于人眼区分颜色的能力在自然背景条件下是最好的。在晚上，人眼只有在自然的色彩情况下，对景物或马路边沿才有很好的区分能力。LED 灯的平均寿命比钨丝灯以及高亮度荧光灯管长，而且更加稳定可靠。如可以减少出故障的几率，同时无需频繁地更换灯泡，省却

3、了很多麻烦。而且采用LED可以节省更多的能源。LED灯外形更小，更容易装入灯座内，在占用更少空间的同时，更容易配合时尚的灯饰设计。更为重要的是，LED刹车灯的启动速度更快。 LED刹车灯的点亮时间仅为50ms左右，比钨丝灯泡的启动时间快大约250ms，从而降低了被尾随车辆碰撞的危险。另外，LED是固态光源，可以承受更大的震动。 HYPERLINK /news/listbylabel/label/驱动 驱动LED灯的技术要求由于LED的亮度与流过的电流成正比，所以需要恒定的电流源来驱动LED。在任何情况下，流过LED的电流要保持恒定，才能确保LED亮度的一致性。另外还需要在任何情况下都能将纹波电

4、流控制在可接受的水平。所以说LED驱动器的设计属于电源转换电路设计，其特点是恒流输出而非恒压输出。在LED驱动器设计中，必须增加阻塞电路，为防止电源反向操作提供保护。我们会遇到的另外一个挑战是要在汽车冷启动或负载断电的情况下确保LED能够正常工作。在正常操作的情况下，小轿车的电池供电电压介于9V与16V之间（例如12V系统总线），而大货车的电池供电电压则介于18V与32V之间（例如24V系统总线）。在出现负载断电或冷启动的情况时，电池的输入电压范围会与正常的范围有很大的出入。在发电机运行期间，如果电池的供电被突然截断，此时发电机会继续发电，使用发电机供电的电容等用电部分就会出现电压突然增高的现

5、象，如果不采取保护措施，将会损坏用电器。如果LED的驱动不是恒流驱动，LED的电流就会有所变化，造成LED的亮度变化，这就是为什么目前的汽车灯会存在闪烁现象。下面是一个负载断电测试的一个定义，用来模仿负载突断的一些情形。不同的汽车厂商采用不同的标准，因此负载断电测试的定义也各不相同，图1 只是其中一个案例。图1 负载断电测试的定义尽管负载突降会造成负载电压升高，但大部分先进的交流发电机都配备了中央控制式负载断电箝位电路。12V总线系统的参考电平会被限制在35V到42V之间，而24V总线系统的参考电平会被钳定在50V到60V之间。在天气寒冷的时候，启动装置会令电池供电电压大幅下跌，图2显示“冷启

6、动”测试的典型波形。图2 “冷启动”测试的典型波形由于LED驱动器的输入供电端连接电池的输入端，因此像刹车灯这类涉及驾驶安全的汽车灯必须不受负载断电及冷启动的影响，甚至必须能够在这种情况下继续正常运行。在典型的情况下，12V总线系统的输入范围为6V到42V，24V总线系统的输入电压范围为12V到60V。LED驱动技术电阻限流是LED驱动方法之一，其优点是成本较低、设计简单；缺点是电流会随着正向电压和驱动电压的不同而改变，所以LED发出的亮度会改变。当电池电压比较高时，驱动的效率很差，因为此时大部分的功率会消耗在电阻上。此外，限流电阻会产生很大的热量，导致散热的问题。所以这是一个简单、但并不是一

7、个最高效的方法。第二种方法是线性稳流器，也叫恒流源。它的优点是设计简单、电流恒定；缺点是效率很低，而且随着输入电压的升高，线性芯片承载的压降也就越大，所以线性芯片也会产生很大的热量。但它改善了电阻限流方法中电流波动的缺点。除了以上两种方法，还有一种开关电源式的驱动方法。表1是三种不同方法的比较，用开关电源作为LED驱动的方法具有很高的效率，而且电流恒定。由于开光电源转换器的效率较高，因此被越来越多的车灯生产商使用。其最大的缺点是设计线路要复杂些，而且成本相对较高。表1 三种LED驱动方法比较用于高亮度汽车灯的升压/降压LED驱动器汽车照明中为什么要用到升压/降压LED驱动器呢？这是因为电池电压

8、是波动的，在电压波动时，我们需要保持流过LED的电流恒定，升压/降压LED驱动器可以确保无论输入电压高于还是低于输出电压，电流都能保持恒定。这保证了在负载断电和冷启动的时候，和安全有关的照明灯可以保持恒定的亮度。另外，多样化的 LED汽车照明应用也需要不同的LED驱动器拓扑结构。部分汽车灯生产商希望能够有一个LED驱动平台可以适用于不同灯光系统的不同LED配置。升压/降压LED驱动器是大部分高亮度汽车灯光系统的理想驱动器解决方案。LM3423（图3）是NS公司一款升压/降压LED驱动器芯片，它不仅可以提供快速的调光控制、可靠的保护和故障显示等功能，还可以配置升压、浮动降压及浮动的升压/降压LE

9、D驱动器，满足不同的LED车载驱动的要求。图3 LM3423升压/降压应用原理图用于LED背光系统的升压LED驱动器在一般的应用情况下，我们都会采用升压恒流LED驱动器驱动多串数量较多的LED，采用这种配置的LED背光系统可为汽车仪表板及导航系统显示器提供背光。另外，汽车仪表板显示器必须加设调光控制功能，以便控制LED背光灯的亮度。如在周围环境较光亮时可以调高亮度，而在周围环境较暗时，可以调低亮度，以防驾驶者的眼睛无法适应急剧的亮度转变，影响驾驶安全。此外，具有PWM调光功能的控制器必须具有很好的对比度，即具有很好的线性调整度。PWM信号是串脉冲信号，我们可以通过切换电流开关来控制脉冲的发射，

10、令LED发出超过100Hz的闪光，这样在视觉上我们就会觉得亮度已减，因为人眼会将亮度过滤/平均化。调光功能的好坏是通过调光的占空比来实现的，如果器件的占空比很小，那么调光的范围就会较大，具有更好的线性度。通常有两种方法：一种是模拟的信号调光，另一种是PWM信号的调光。由于模拟调光是通过改变LED的电流实现的，当 LED的电流改变的时候，LED的颜色也会发生变化，所以我们通常会选用PWM调光作为亮度控制方法。采用这种方法时，LED要么导通，要么关断，不会使 LED的颜色发生变化。LM3423可支持快速调光控制以及“0”停机电流功能，适用于汽车导航系统显示器以及仪表板的LED背光系统（图 4）。它

11、可以确保流过每个灯的电流是一致的，在LED下方串接了一个MOS管作为调光控制的开关。其中，nDIM引脚负责执行输入欠压锁定以及PWM调光功能。每当输入PWM信号时，DDRV引脚便会驱动DIM N-FET，命令串联在一起的LED进行快速开关，以便控制亮度，调光控制频率可以高达50kHz。图4 LM3423升压LED驱动器图 5中展示的是调光效果对比，可以看到，在很低的占空比条件下，可以保持同样的开关，流过LED的电流是恒定的。图中显示的调光占空比是0.5%，输入电压为12V，LED的电流为100mA，驱动的数目为每串10个LED。这里的调光频率选择的是230Hz，当周围环境的亮度变暗时，汽车显示

12、器的LED背光便会调低灯光的亮度。如果占空比很小，那么亮度就可以调得很低，在环境亮度很暗的时候，就不会觉得仪表盘的亮度很刺眼。图5 LM3423调光控制效果对比使用传统的升压模式的驱动器时会面临一个问题：不管控制器驱动工作与否，其输入和输出之间都一个通路，这种情况下，输入端的电池会对负载有个直流的通路，会造成漏电。当用于车载照明时，汽车在长时间不用的时候，有这个通路就会对电池进行放电。再次启动车辆时，就会发现电池没电了。另外一个问题是，输出端出现短路的时候，会对电池进行放电。即使主开关已经关闭，也不会对输出端的漏电产生影响。针对这种情况，要在输出端加入保险丝，防止出现短路。利用 LM3423可

13、以解决这个问题，有效延长电池的使用寿命。若LED串与地连接，形成短路，由FLT引脚负责驱动的输入端P-FET会随即被关闭，从而令输入路径成为开路，避免了漏电问题。附录资料：不需要的可以自行删除煤矿矿井机电设备完好标准一、通用部分1、 紧固件1.1 紧固用的螺栓、螺母、垫圈等齐全、紧固、无锈蚀。1.2 同一部位的螺母、螺栓规格一致。平垫、弹簧垫圈的规格应与螺栓直径相符合。紧固的螺栓、螺母应有防松装置。1.3 用螺栓紧固不透明螺孔的部件，紧固后螺孔须留有大于2倍防松垫圈的厚度的螺纹余量。螺栓拧入螺孔长度应不小于螺栓直径，但铸铁、铜、铝件应不小于螺栓直径的1.5倍。1.4 螺母紧固后，螺栓螺纹应露出

14、螺母13个螺距，不得在螺母下面加多余垫圈减少螺栓的伸出长度。1.5 紧固在护圈内的螺栓或螺母，其上端平面不得超出护圈高度，并需用专用工具才能松、紧。2、 隔爆性能2.1 隔爆结合面（I类）的间隙、直径差或最小有效长度（宽度）必须符合表4-1-1的规定。表中 L 静止隔爆接合面的最小有效长度；L1 螺栓通孔边缘至隔爆接合面边缘的最小有效长度；W 静止隔爆接合面及操纵杆与杆孔隔爆接合面最大间隙或直径差；转轴与轴孔隔爆接合面最大直径差。但快动式门或盖的隔爆接合面的最小有效长度须不小于25mm。 表4-1-1I类隔爆接合面结构参数mm接合面型 式LL1W外壳容积V（t）V0.1V0.1平面、止口或圆筒

15、结构6.012.525.040.06.08.09.015.00.300.400.500.400.500.60带有滚动轴承的圆筒结构6.012.525.040.00.400.500.600.400.500.600.802.2 操纵杆直径（d）与隔爆接合面长度（L）应符合表4-1-2的规定。表4-1-2操纵杆直径或圆筒直径与隔爆接合面的结构参数mm操纵杆直径隔爆接合面长度d66d2525dL6LdL252.3 隔爆电动机轴与轴孔的隔爆接合面在正常工作状态下不应产生摩擦。用圆筒隔爆接合面时，轴与轴孔配合的最小单边间隙须不小于0.075mm；用滚动轴承结构时，轴与轴孔的最大单边间隙须不大于表4-1-1

16、规定W值的。2.4 隔爆接合面的表面粗糙度不大于；操纵杆的表面粗糙度不大于。2.5 螺纹隔爆结构：螺纹精度不低于3级；螺距不小于0.7mm；螺纹的最少啮合扣数、最小拧入深度应符合表4-1-3的规定。表4-1-3螺纹的最少啮合扣数、最小拧入深度mm外壳净容积V（t）最小拧入深度最少啮合扣数V0.10.1V2.02.0V5.09.012.562.6 隔爆接合面的法兰减薄厚度，应不大于原设计规定的维修余量。2.7 隔爆接合面的缺陷或机械伤痕，将其伤痕两侧高于无伤表面的凸起部分磨平后，不得超过下列规定：a.隔爆面上对局部出现的直径不大于1mm、深度不大于2mm的砂眼，在40、25、15mm宽的隔爆面上

17、，每1cm2不得超过5个；10mm宽的隔爆面上，不得超过2个。b.产生的机械伤痕，宽度与深度不大于0.5mm；其长度应保证剩余无伤痕隔爆面有效长度不小于规定长度的2/3。2.8 隔爆接合面不得有锈蚀及油漆，应涂防锈油或磷化处理。如有锈迹，用面纱擦净后，留有呈青褐色氧化亚铁状痕迹，用手摸无感觉者仍算合格。2.9 用螺栓固定的隔爆接合面，其紧固应以压平弹簧垫圈不松动为合格。2.10 观察窗孔胶封及透明度良好，无破损、无裂纹。2.11引进设备的隔爆性能应符合煤矿机电设备检修质量标准电气设备分册的附录5-A、B、C、D的规定。2.12 凡不合格.11任意一条者即任为该装备失去隔爆性能，

18、称为失爆，不得评为完好设备。3、 接线3.1 进线嘴连接紧固，密封良好，并应符合下列规定： a.密封圈材质须用邵尔硬度为4555度的橡胶制造，并按规定进行老化处理。 b.接线后紧固件的紧固程度以抽拉不窜动为合格。线嘴压紧应有余量，线嘴与密封圈之间应加金属垫圈。压叠式线嘴压紧电缆后的压扁量不超过电缆直径的10。 c.密封圈内径与电缆外经差应小于1mm；密封圈外径与进线装置内径差应符合表414的规定；密封圈宽度应大于电缆外经的0.7倍，但必须大于10mm；厚度应大于电缆外经的0.3倍，但必须大于4mm(70mm的橡套电缆例外)。密封圈无破损，不得割开使用。电缆与密封圈之间不得包扎其他物品。 d.低

19、压隔爆开关引入铠装电缆时，密封圈应全部套在电缆铅皮上。表4-1-4密封圈外径与进线装置内径间隙 mm密封圈外径D密封圈外径与进线装置内径间隙D2020D6060D1.01.52.0e.电缆护套（铅皮）穿入进线嘴长度一般为515mm。如电缆粗穿不进时，可将穿入部分锉细（但护套与密封圈结合部位不得锉细）。 f.低压隔爆开关空间得接线嘴应用密封圈及厚度不小于2mm得钢垫板封堵压紧。其紧固程度：螺旋线嘴用手拧紧为合格；压叠式线嘴用手晃不动为合格。钢垫板应置于密封圈得外边，其直径与进线装置内径差应符合表4-1-4得规定。高压隔爆开关空间得接线嘴应用与线嘴法兰厚度、直径相符的钢垫板堵封压紧，其隔爆结合面得

20、间隙应符合表4-1-1得规定。 g.高压隔爆开关接线盒引入铠装电缆后，应用绝缘相交灌至电缆三叉以上。 h.凡不符合上述规定之一者，即为失爆，不得评为完好设备。3.2 接线装置齐全、完整、紧固，导电良好，并符合下列要求： a.绝缘座完整无裂纹； b.接线螺栓和螺母的螺纹无损伤，无放电痕迹，接线零件齐全，有卡爪、弹簧垫、背帽等； c.接线整齐，无毛刺，卡爪不压绝缘胶皮或其他绝缘物，也不得压或接触屏蔽层； d.接线盒内导线的电气间隙和爬电距离，应符合GB3836.383爆炸性环境用防暴电气设备增安型电器设备“e”的规定； e.隔爆开关电源、负荷引入装置，不得颠倒使用。3.3 固定电气设备接线应符合下

21、列要求： a.设备引入（出）线的终端线头，应用线鼻子或过渡接头接线； b.导线连接牢固可靠，接头温度不得超过导线温度。 3.4 电缆的连接除应符合煤矿安全规程第449条的规定外，并应符合下列要求： a 电缆芯线的连接严禁绑扎，应采用压接或焊接。连接后的接头电阻不应大于同长度芯线电阻的1.1倍，其抗拉强度不应小于原芯线的80。不同材质芯线的连接应采用过渡接头，其过渡接头电阻值不应大于同长度芯线电阻值的1.3倍； b 高、低压铠装电缆终端应灌注绝缘材料，户内可采用环氧树脂干封。中间接线盒应灌注绝缘胶。4、 安全供电4.1 高、低压电气设备的短路、漏电、接地等保护装置，必须符合煤矿安全规程、矿井保护

22、接地装置的安全、检查、测定工作细则、煤矿井下检漏继电器安装、运行、维护与检修细则和矿井低压电网短路保护装置的整定细则的规定。 4.2 短路保护计算整定合格，动作灵敏可靠。 4.3 漏电保护装置使用合格。4.4 接地装置 4.4.1接地螺栓符合下列标准：a电气设备的金属外壳和铠装电缆接线盒的外接地螺栓应齐全完整，并标志“”符号（运行中移动的采掘机械设备除外）。 b电气设备接线盒应设有内接地螺栓，并标志“”符号（电机车上的电气设备及电压36V以下的电气设备除外）。 c 外接地螺栓直径 容量小于或等于5KW的不小于M8； 容量大于5KW至10KW不小于M10； 容量大于10KW的不小于M12； 通讯

23、、信号、按钮、照明灯等小型设备不小于M6。 d 接地螺栓应进行电镀防锈处理。4.4.2 接地线符合下列规定： a 接主接地极的接地母线，其截面积应不小于: 镀锌铁线 100 mm 扁 钢 254 mm 铜 线 50 mm b 电气设备外壳同接地母线或局部接地极的连线盒电缆接线盒两端的铠装、铅皮的连接接地线，其截面积应不小于： 铜 线 25 mm 扁 钢 50 mm（厚度不小于4mm） 镀锌铁线 25 mm4.4.3 接地电阻不得大于下列数值：a 100KVA以上（低压中性点直接接地系统）4；b 100KVA以上变压器供电线路重复接地10；c 100KVA以下变压器10；d 100KVA以下变压

24、器供电线路重复接地30；e 高、低压电气设备联合接地4；f 电流、电压互感器二次线圈10；g 高压线路的保护网或保护线；h 井下设备2；i 井下手持移动电气设备1。4.5 设备闭锁装置齐全可靠。4.6 井下供电应符合煤矿安全规程第470条的规定，即做到“三无、四有、两全、三全、三坚持”。5、 不漏油、不漏电的规定 5.1 不漏油 固定结合面及阀门、油标管等不应有油迹。运动部位允许有油迹，但擦干后在3min不见油，半小时不成滴。非密闭运动部件润滑油脂不得甩到其他部件和基础上。 5.2 不漏电 网路的绝缘电阻不小于下列规定，漏电继电器正常投入运行。 1140V 60K； 660V 30K； 380

25、V 15K； 127V 10K。6、 电气性能检测6.1 电气设备绝缘性能必须按煤矿电气试验规程（试行）规定的周期和项目进行试验，并符合标准，有记录可考查。 6.2 绝缘油，新油使用前应做油质分析；运行中的油，每年做一次简化分析；多油断路器的油，每半年进行一次耐压试验。其他试验项目应按煤矿电气试验规程（试行）规定进行。有记录可查。 6.3 继电保护装置计算整定检验，每年进行一次；对矿井电源的继电保护装置，每半年检验一次，并符合整定方案，有记录可查。 6.4 指示回转仪表应每年检验一次，其准确登记不得低于2.5级；电源计量仪表应每半年校验一次，其准确等级不得低于1.0级。有记录可查。7、 设备使

26、用 7.1 高、低压开关的选用应符合煤矿安全规程第421条的要求，与被控制设备的容量应匹配，有下列情况之一者，不得评定为完好设备。 a 超容量、超电压等级使用者； b 不符合使用范围者； c 继电保护失灵，熔体选用不合格者； d 隔爆磁力起动器用小喇叭嘴引出动力线者。 7.2 井下隔爆型电气设备，必须有在下井前，经过指定的隔爆电气设备检查员检查出具的合格证，否则一律不得评定为完好。8、 安全防护8.1 机房（峒室）和电气设备，一切可能危机人身安全的裸露带电部分及转动部位，均须设防护罩、防护栏，并悬挂危险警告标志。 8.2 机房（峒室）应具备有符合规定的防火器材。 8.3 机房（峒室）不得存放汽油、煤油、绝缘油和其他易燃物品。用过