汽車LED照明系統的設計與突破

[導讀]一直以來，汽車的剎車燈、轉向信號燈、倒車燈以及車尾霧燈都採用21W到27W、亮度為280至570流明的鎢絲燈泡作為光源。車尾燈、泊車燈、車側顯示燈以及轉向信號閃燈採用4W至10W、...

　　一直以來，汽車的剎車燈、轉向信號燈、倒車燈以及車尾霧燈都採用21W到27W、亮度為280至570流明的鎢絲燈泡作為光源。車尾燈、泊車燈、車側顯示燈以及轉向信號閃燈採用4W至10W、亮度為40至130流明的鎢絲燈泡，汽車頭燈則採用高亮度的氙氣螢光管(HID)。但在汽車照明中，越來越多地採用 LED作為光源。尾部中央高位剎車燈是最早採用LED的汽車燈。另外，在車燈市場上，其他車外照明和指示燈如剎車燈、轉向信號燈以及車內照明燈都已改用 LED燈泡。近年來，車外照明燈，如白天行車燈(DRL)，以及車頭近光燈都開始改用LED燈泡。預計汽車大燈也會很快改用高亮度LED燈。此外，在車身內部，一些車內顯示器的背光也開始採用LED作為光源，如儀錶盤以及TFT顯示器。

　　汽車LED照明系統的優點

　　白光LED的色溫約為6000K，視覺上幾乎等同於自然光。由於人眼區分顏色的能力在自然背景條件下是最好的。在晚上，人眼只有在自然的色彩情況下，對景物或馬路邊沿才有很好的區分能力。

　　LED 燈的平均壽命比鎢絲燈以及高亮度螢光燈管長，而且更加穩定可靠。如可以減少出故障的機率，同時無需頻繁地更換燈泡，省卻了很多麻煩。而且採用LED可以節省更多的能源。LED燈外形更小，更容易裝入燈座內，在佔用更少空間的同時，更容易配合時尚的燈飾設計。更為重要的是，LED剎車燈的啟動速度更快。 LED剎車燈的點亮時間僅為50ms左右，比鎢絲燈泡的啟動時間快大約250ms，從而降低了被尾隨車輛碰撞的危險。另外，LED是固態光源，可以承受更大的震動。

　　驅動LED燈的技術要求

　　由於LED的亮度與流過的電流成正比，所以需要恆定的電流源來驅動LED。在任何情況下，流過LED的電流要保持恆定，才能確保LED亮度的一致性。另外還需要在任何情況下都能將紋波電流控制在可接受的水平。所以說LED驅動器的設計屬於電源轉換電路設計，其特點是恆流輸出而非恆壓輸出。

　　在LED驅動器設計中，必須增加阻塞電路，為防止電源反向操作提供保護。我們會遇到的另外一個挑戰是要在汽車冷啟動或負載斷電的情況下確保LED能夠正常工作。在正常操作的情況下，小轎車的電池供電電壓介於9V與16V之間(例如12V系統總線)，而大貨車的電池供電電壓則介於18V與32V之間(例如24V系統總線)。在出現負載斷電或冷啟動的情況時，電池的輸入電壓範圍會與正常的範圍有很大的出入。

　　在發電機運行期間，如果電池的供電被突然截斷，此時發電機會繼續發電，使用發電機供電的電容等用電部分就會出現電壓突然增高的現象，如果不採取保護措施，將會損壞用電器。如果LED的驅動不是恆流驅動，LED的電流就會有所變化，造成LED的亮度變化，這就是為什麼目前的汽車燈會存在閃爍現象。下面是一個負載斷電測試的一個定義，用來模仿負載突斷的一些情形。不同的汽車廠商採用不同的標準，因此負載斷電測試的定義也各不相同，圖1 只是其中一個案例。

　　儘管負載突降會造成負載電壓升高，但大部分先進的交流發電機都配備了中央控制式負載斷電箝位電路。12V總線系統的參考電平會被限制在35V到42V之間，而24V總線系統的參考電平會被鉗定在50V到60V之間。

page

　　在天氣寒冷的時候，啟動裝置會令電池供電電壓大幅下跌，圖2顯示「冷啟動」測試的典型波形。

　　

 

　　「冷啟動」測試的典型波形

　　由於LED驅動器的輸入供電端連接電池的輸入端，因此像剎車燈這類涉及駕駛安全的汽車燈必須不受負載斷電及冷啟動的影響，甚至必須能夠在這種情況下繼續正常運行。在典型的情況下，12V總線系統的輸入範圍為6V到42V，24V總線系統的輸入電壓範圍為12V到60V。

　　LED驅動技術

　　電阻限流是LED驅動方法之一，其優點是成本較低、設計簡單;缺點是電流會隨著正向電壓和驅動電壓的不同而改變，所以LED發出的亮度會改變。當電池電壓比較高時，驅動的效率很差，因為此時大部分的功率會消耗在電阻上。此外，限流電阻會產生很大的熱量，導致散熱的問題。所以這是一個簡單、但並不是一個最高效的方法。

　　第二種方法是線性穩流器，也叫恆流源。它的優點是設計簡單、電流恆定;缺點是效率很低，而且隨著輸入電壓的升高，線性晶片承載的壓降也就越大，所以線性晶片也會產生很大的熱量。但它改善了電阻限流方法中電流波動的缺點。

　　除了以上兩種方法，還有一種開關電源式的驅動方法。表1是三種不同方法的比較，用開關電源作為LED驅動的方法具有很高的效率，而且電流恆定。由於開光電源轉換器的效率較高，因此被越來越多的車燈生產商使用。其最大的缺點是設計線路要複雜些，而且成本相對較高。

　　

 

　　三種LED驅動方法比較

　　汽車照明中為什麼要用到升壓/降壓LED驅動器呢?這是因為電池電壓是波動的，在電壓波動時，我們需要保持流過LED的電流恆定，升壓/降壓LED驅動器可以確保無論輸入電壓高於還是低於輸出電壓，電流都能保持恆定。這保證了在負載斷電和冷啟動的時候，和安全有關的照明燈可以保持恆定的亮度。另外，多樣化的 LED汽車照明應用也需要不同的LED驅動器拓撲結構。部分汽車燈生產商希望能夠有一個LED驅動平臺可以適用於不同燈光系統的不同LED配置。升壓/降壓LED驅動器是大部分高亮度汽車燈光系統的理想驅動器解決方案。

　　LM3423(圖3)是NS公司一款升壓/降壓LED驅動器晶片，它不僅可以提供快速的調光控制、可靠的保護和故障顯示等功能，還可以配置升壓、浮動降壓及浮動的升壓/降壓LED驅動器，滿足不同的LED車載驅動的要求。

　　

 

　　LM3423升壓/降壓應用原理圖

page

　　用於LED背光系統的升壓LED驅動器

　　在一般的應用情況下，我們都會採用升壓恆流LED驅動器驅動多串數量較多的LED，採用這種配置的LED背光系統可為汽車儀錶板及導航系統顯示器提供背光。另外，汽車儀錶板顯示器必須加設調光控制功能，以便控制LED背光燈的亮度。如在周圍環境較光亮時可以調高亮度，而在周圍環境較暗時，可以調低亮度，以防駕駛者的眼睛無法適應急劇的亮度轉變，影響駕駛安全。此外，具有PWM調光功能的控制器必須具有很好的對比度，即具有很好的線性調整度。

　　PWM信號是串脈衝信號，我們可以通過切換電流開關來控制脈衝的發射，令LED發出超過100Hz的閃光，這樣在視覺上我們就會覺得亮度已減，因為人眼會將亮度過濾/平均化。調光功能的好壞是通過調光的佔空比來實現的，如果器件的佔空比很小，那麼調光的範圍就會較大，具有更好的線性度。通常有兩種方法：一種是模擬的信號調光，另一種是PWM信號的調光。由於模擬調光是通過改變LED的電流實現的，當 LED的電流改變的時候，LED的顏色也會發生變化，所以我們通常會選用PWM調光作為亮度控制方法。採用這種方法時，LED要麼導通，要麼關斷，不會使 LED的顏色發生變化。

　　LM3423可支持快速調光控制以及「0」停機電流功能，適用於汽車導航系統顯示器以及儀錶板的LED背光系統(圖 4)。它可以確保流過每個燈的電流是一致的，在LED下方串接了一個MOS管作為調光控制的開關。其中，nDIM引腳負責執行輸入欠壓鎖定以及PWM調光功能。每當輸入PWM信號時，DDRV引腳便會驅動DIM N-FET，命令串聯在一起的LED進行快速開關，以便控制亮度，調光控制頻率可以高達50kHz。

　　

 

　　LM3423升壓LED驅動器

　　展示的是調光效果對比，可以看到，在很低的佔空比條件下，可以保持同樣的開關，流過LED的電流是恆定的。圖中顯示的調光佔空比是0.5%，輸入電壓為12V，LED的電流為100mA，驅動的數目為每串10個LED。這裡的調光頻率選擇的是230Hz，當周圍環境的亮度變暗時，汽車顯示器的LED背光便會調低燈光的亮度。如果佔空比很小，那麼亮度就可以調得很低，在環境亮度很暗的時候，就不會覺得儀錶盤的亮度很刺眼。

　　使用傳統的升壓模式的驅動器時會面臨一個問題：不管控制器驅動工作與否，其輸入和輸出之間都一個通路，這種情況下，輸入端的電池會對負載有個直流的通路，會造成漏電。當用於車載照明時，汽車在長時間不用的時候，有這個通路就會對電池進行放電。再次啟動車輛時，就會發現電池沒電了。另外一個問題是，輸出端出現短路的時候，會對電池進行放電。即使主開關已經關閉，也不會對輸出端的漏電產生影響。針對這種情況，要在輸出端加入保險絲，防止出現短路。利用 LM3423可以解決這個問題，有效延長電池的使用壽命。若LED串與地連接，形成短路，由FLT引腳負責驅動的輸入端P-FET會隨即被關閉，從而令輸入路徑成為開路，避免了漏電問題。