陳天殷

（美國(guó)亞派克機(jī)電 （杭州）有限公司，浙江 杭州 310013）

隨著電子科技的不斷創(chuàng)新和飛速發(fā)展，加之節(jié)能、環(huán)保和低碳的呼聲日益高漲，汽車(chē)傳統(tǒng)照明的電光源 （無(wú)論是最早的白熾燈，還是20世紀(jì)90年代興起的氙燈等）正為高亮度的發(fā)光二極管 （High Bright LED，縮略稱(chēng)為HB LED）所取代。

汽車(chē)的車(chē)前燈、前后霧燈、第三制動(dòng)燈、轉(zhuǎn)向燈、尾燈、晝間行駛燈和儀表板背光都采用LED照明。

1 LED的特性曲線

圖1顯示了發(fā)光二極管的輸出特性曲線If=f（Uf），即電流與正向壓降的關(guān)系。

LED的輸出特性曲線較陡，作為p－n結(jié)類(lèi)似于傳統(tǒng)二極管的U-I特性，但具有較高的結(jié)壓降。在正向電壓達(dá)到Uf時(shí)，若增加一個(gè)小的ΔUf，相應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的正向電流ΔIf。ΔUf增加零點(diǎn)幾伏，ΔIf會(huì)增加十幾到幾十毫安，有可能使LED因過(guò)流而損壞。因此必須采取阻流措施限制電流劇增。在串、并聯(lián)LED的結(jié)構(gòu)中，由于其Uf有離散性，必須測(cè)量Uf及分選，使各串LED的ΣUf差值最小，各串的內(nèi)阻相接近，各并聯(lián)支路的LED均流，電流分配均勻，才不至于某一支路LED因過(guò)電流燒毀。

LED光輸出強(qiáng)度與其電流和正向壓降成正比，并與溫度成正比。因此LED需要一個(gè)恒定電流來(lái)驅(qū)動(dòng)，并需要額外的電路。

2 為高亮度LED提供高效的電流驅(qū)動(dòng)控制

LED燈電源決定了LED燈的使用壽命。散熱和光的方向性是LED照明中首要考慮的問(wèn)題。采用多個(gè)小電流的LED串、并聯(lián)組成陣列的方案可有效解決散熱問(wèn)題，同時(shí)改善LED照明中光的方向性；而且目前小電流芯片的光效率要高于大功率LED芯片。

2.1 LED的恒流源驅(qū)動(dòng)方式

恒流源驅(qū)動(dòng)是最佳的LED驅(qū)動(dòng)方式，采用恒流源驅(qū)動(dòng)，不用在輸出電路串聯(lián)限流電阻，LED上流過(guò)的電流也不受外界電源電壓變化、環(huán)境溫度變化，以及LED參數(shù)離散性的影響，從而能堅(jiān)持電流恒定，充分發(fā)揮LED的各種優(yōu)異特性。由于在電源工作期間都會(huì)自動(dòng)檢測(cè)和控制流過(guò)LED的電流，因而，采用LED恒流電源來(lái)給LED燈具供電，不用擔(dān)憂在通電的霎時(shí)有過(guò)高的電流流過(guò)LED，也不用顧慮負(fù)載短路燒壞電源。

為采取阻流措施限制電流劇增，目前有3種基本的限流方式，表1對(duì)這3種方式進(jìn)行了對(duì)比 （對(duì)應(yīng)一個(gè)白色LED，Uf=4V，ILED=350mA，UIN=12V）。

圖2是用于汽車(chē)轉(zhuǎn)向燈的高亮度LED電源原理圖。它采用固定頻率、高集成度脈寬調(diào)制PWM開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器MAX5035，輸出電流可達(dá)1 A?；陔姼械腷uck調(diào)節(jié)器能夠準(zhǔn)確控制流過(guò)LED（或幾個(gè)串聯(lián)LED，總電壓為12 V）的電流，MAX5035的開(kāi)關(guān)頻率為125 kHz，輸入電壓高達(dá)76 V（須使用更高額定電壓的輸入電容和二極管）。通過(guò)調(diào)節(jié)控制電壓（0～3.9V）， MAX5035LED電流驅(qū)動(dòng)器能夠在LED_A和LED_K端產(chǎn)生近似350～0mA的輸出電流。

表1 3種限流方案比較

此電路可以在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)控制并保持恒定的LED電流。該電路的設(shè)計(jì)參數(shù)為：最小輸入電壓7.5V （大多單個(gè)LED）， 最大輸入電壓30V （受D1和C8、 C9限制）， 最大輸出電流350mA （Ucontro1=0）， 最大輸出電壓12V （由MAX5035內(nèi)部限制，電流350mA），控制電壓范圍Ucontro1為0V （滿電流）至3.9V （全暗）。

控制電壓與3個(gè)并聯(lián)檢流電阻的電壓共同作用到IC的反饋FB引腳。IC的內(nèi)部控制環(huán)路FB引腳的電壓大約保持在1.22 V，因此，由于控制電壓與電流檢測(cè)電壓都必須保持在1.22 V （由電阻R1和R5設(shè)置），更高的控制電壓將產(chǎn)生更小的電流。以下的等式可用來(lái)設(shè)計(jì)其輸出電流和控制電壓

式中：UREF=1.22 V；RSENSE——R2、R3與R5的并聯(lián)電阻值，為5Ω；Ucontro1——控制電壓。

2.2 LED的散熱

隨著功率的增加，LED的散熱問(wèn)題顯得越來(lái)越突出。大量實(shí)際應(yīng)用表明，LED不能加大輸入功率的基本原因，是由于LED在工作過(guò)程中會(huì)放出大量的熱，使管芯結(jié)溫迅速上升，熱阻變大。輸入功率越高，發(fā)熱效應(yīng)越大。溫度的升高將導(dǎo)致器件性能變化與衰減，非輻射復(fù)合增加，器件的漏電流增加，半導(dǎo)體材料缺陷增長(zhǎng)，金屬電極電遷移，封裝用環(huán)氧樹(shù)脂黃化等等，嚴(yán)重影響LED的光電參數(shù)，甚至使功率LED失效。因此，對(duì)于LED器件，降低熱阻與結(jié)溫、對(duì)發(fā)光二極管的熱特性進(jìn)行研究顯得日趨重要。圖3是白光LED有效光輻射隨結(jié)溫的變化關(guān)系。

LED的有效光輻射 （發(fā)光度／或輻射通量）受其結(jié)溫的影響甚為顯著。單顆LED封裝通常被稱(chēng)為一級(jí)LED，而多顆LED芯片裝配在同一金屬基板上的LED通常被稱(chēng)為二級(jí)LED。當(dāng)二級(jí)LED對(duì)光均勻度要求很高時(shí)，結(jié)溫對(duì)LED發(fā)光效率產(chǎn)生的影響將十分突出。當(dāng)然可以用一級(jí)LED的電、熱、光協(xié)同模型來(lái)預(yù)測(cè)二級(jí)LED的電學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)特性，但前提是需要對(duì)LED的散熱環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確的建模。

2.3 LED的驅(qū)動(dòng)器

LED的IC驅(qū)動(dòng)器的挑戰(zhàn)表現(xiàn)在如下3方面：?jiǎn)?dòng)重置 （POR）、軟啟動(dòng)、過(guò)電流及過(guò)溫保護(hù)、LED開(kāi)路短路保護(hù)；產(chǎn)品可靠高效，適應(yīng)彈性I／O電壓，應(yīng)用方便；符合環(huán)保意識(shí)及安全規(guī)范。

車(chē)前燈必需具有至少800流明的光輸出量。當(dāng)前LED已有單只高達(dá)400流明的光輸出量 （在1 A時(shí)）和超過(guò)130 1m／W的光輸出 （在350 mA時(shí)），與傳統(tǒng)車(chē)前燈相比，采用LED燈效率提高75%以上，也就大大降低每年油耗的水平。一個(gè)25 W白光LED車(chē)前燈，可以采用由18個(gè)串聯(lián)LED組成的陣列，使350mA電流流過(guò)這些LED以產(chǎn)生所需要的光輸出。

簡(jiǎn)單高效驅(qū)動(dòng)這一配置是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。作為車(chē)前燈驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)例，本文介紹選用凌力爾特（Linear Tec.）的LT3956作為主芯片構(gòu)建的LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該芯片內(nèi)嵌有一款DC／DC轉(zhuǎn)換器，專(zhuān)為充當(dāng)一個(gè)恒定電流和恒定電壓調(diào)節(jié)器而設(shè)計(jì)，適合于驅(qū)動(dòng)大電流高亮度的LED。構(gòu)建效率達(dá)94%的25 W白光LED車(chē)前燈驅(qū)動(dòng)器電路，其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

該器件具有一個(gè)內(nèi)部低端N溝道功率MOSFET（金屬－氧化物－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管），此MOSFET的額定規(guī)格針對(duì)84 V／3.3 A而擬定，并由內(nèi)部一個(gè)已調(diào)為7.15V的電源來(lái)驅(qū)動(dòng)。固定頻率、電流模式架構(gòu)在一個(gè)很寬的電源和輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的操作。一個(gè)參考于搭鐵的電壓反饋FB引腳用作多個(gè)LED保護(hù)功能電路的輸入，而且還使轉(zhuǎn)換器能夠起一個(gè)恒定電壓源的作用。一個(gè)頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶(hù)在100 kHz～1 MHz的范圍內(nèi)設(shè)置頻率，旨在優(yōu)化效率、性能或外部組件尺寸和控制端口。

LT3956在LED串的高端檢測(cè)輸出電流。高端電流檢測(cè)是用于驅(qū)動(dòng)LED的最靈活方案，允許采用升壓－降壓模式或降壓－升壓模式配置。脈寬調(diào)制PWM輸入提供了高達(dá)3000∶1的LED調(diào)光比，而調(diào)控的CTRL輸入則提供了額外的模擬調(diào)光能力。

LT3956的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到94% （取決于輸入電壓和工作頻率）。高轉(zhuǎn)換效率為車(chē)前燈外殼實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單明了的散熱設(shè)計(jì)方案提供了條件。這款LED驅(qū)動(dòng)器本身并不會(huì)對(duì)LED本身產(chǎn)生的熱量有顯著的影響。上例中，LED驅(qū)動(dòng)器的功率損失為1.5W，這些功率被作為熱量 ［25 W×（1－0.94）］而耗散掉。 它額外的好處是：同時(shí)還降低對(duì)空間和質(zhì)量的要求。

3 帶散熱監(jiān)控功能的智能LED照明控制

高效的專(zhuān)用芯片是LED驅(qū)動(dòng)控制的核心。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用中，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體 （NS）、凌力爾特（Linear Tec.）、 飛思卡爾 （Freesca1e）、 德國(guó)英飛凌（Infineneon）、 德州儀器 （TI）和達(dá)拉斯半導(dǎo)體（Da11es Semiconductor）等多家知名公司都有相應(yīng)不同型號(hào)的產(chǎn)品可供選用，性能也受到用戶(hù)的肯定。

為避免頻繁更換失效的LED燈或引發(fā)火災(zāi)等災(zāi)難性的后果，散熱管理是讓LED燈保持長(zhǎng)期工作的基本前提，也是整個(gè)設(shè)計(jì)方案中最復(fù)雜、要求最嚴(yán)格且成本最高的部分。利用NTC（負(fù)溫度系數(shù)）實(shí)施智能控制功能來(lái)監(jiān)視LED燈的溫度是行之有效的散熱管理辦法。

NTC電路的基本原理是通過(guò)監(jiān)控LED燈的溫度來(lái)提升LED燈的安全性，并降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度。當(dāng)溫度升高時(shí)，控制器減少流明并借以將LED保持在安全水平之內(nèi)。換言之，當(dāng)溫度升高時(shí)，減少流明；反之，當(dāng)溫度下降時(shí)，則增加流明?？赏ㄟ^(guò)檢測(cè)NTC上的電壓來(lái)檢測(cè)LED燈的溫度變化。檢測(cè)到的電壓與NTC的溫度有直接關(guān)系，而NTC的電阻會(huì)隨NTC及其周邊電路溫度的升高而下降。使用NTC確定溫度的方法：可以在系統(tǒng)強(qiáng)制實(shí)施已知電壓的分壓器電路中使用NTC，并隨后測(cè)量NTC節(jié)點(diǎn)上的電壓。NTC溫度升高時(shí)，電阻減小。而電阻減小將導(dǎo)致分壓器比的變化。NTC節(jié)點(diǎn)的電壓也會(huì)隨溫度升高而下降。LED燈溫度監(jiān)控及調(diào)節(jié)流程圖如圖5所示。

本文對(duì)確保汽車(chē)LED照明系統(tǒng)控制的要點(diǎn)和本質(zhì)，及若干相關(guān)的技巧，作了簡(jiǎn)要介紹，與國(guó)內(nèi)同仁交流，以保證產(chǎn)品的控制工作得以穩(wěn)步提高，也期待國(guó)內(nèi)同道指正。

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