LED汽车照明驱动电路的设计.docx

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LED汽车照明驱动电路的设计

LED汽车照明驱动电路的设计

摘要：

论文介绍了LED照明驱动电路的设计原理。

基于芯片MAX16807和Boost升压电路设计了一款汽车LED照明恒流驱动电路,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。

目录

引言3

一、LED与驱动器的匹配3

（一）基本配置3

（二）LED采用全部串联方式3

（三）LED采用全部并联方式5

1、驱动VF匹配的LED6

2、驱动VF未匹配的LED6

3、LED采用混联方式6

二、LED驱动电路的解决方案8

（一）电阻限流电路8

（二）线性调节器9

（三）开关调节器10

三、基于MAX16807的汽车LED驱动电路设计11

参考文献17

引言

纵观整个汽车的发展历史，汽车照明技术始终扮演着重要角色。

起初，汽车仅需要前照灯，以便在黑暗中行驶时看清道路。

在车辆日益增多、车速不断提高的形势下，汽车照明仅是瞻前已经不够，还需左顾右盼和免除后顾之忧，为了安全以及更好地协调不断增长的交通流量，汽车又增加了各种照明、信号灯具，如尾灯、行车灯、刹车灯、转向灯、后雾灯等。

警示灯和雾灯是在极端的情况下提供特殊功能，为避免夜晚行车的追尾或转弯时的相撞起了关键性作用。

在汽车照明技术的发展中，随着汽车行驶的需求不断提升，汽车前照灯又发展成近光灯、远光灯、前雾灯等多种灯种。

而汽车内部照明灯具，如仪表板、顶灯、地图灯、开门灯等为驾驶员和乘客提供了便利。

一、LED与驱动器的匹配

LED已经广泛应用于照明、装饰类灯产品，在设计LED照明系统时，需要考虑选用什么样的LED驱动器，以及LED作为负载采用的串并联方式，合理的配合设计，才能保证LED正常工作。

LED作为驱动电路的负载，经常需要几十个甚至上百个LED组合在一起构成发光组件，LED负载的连接形式直接关系到其可靠性和使用寿命。

设计中选择LED驱动电路时，一般考虑成本和性能因素。

系统设计的一个约束条件是可用的电功率和电压，其他约束

条件还包括功能特性，例如针对环境光线作出调整。

（一）基本配置

最基本的一种拓扑是单个LED。

采用这种设计的应用实例有汽车内顶灯（地图灯、阅读灯）等。

（二）LED采用全部串联方式

串联方式驱动LED因经过所有LED的驱动电流都是相同的（假设LED被适当的分档），这种配置可以保证颜色和亮度达到最接近的匹配度。

在这种情况下，必须注意整个串联串中

的输入电压以及它和正向电压降（VF）之间的关系。

这将决定驱动LED的功率拓扑，这方面的应用实例包括闪光灯、汽车尾灯、刹车灯等。

LED采用全部串联方式如图1所示，即将多个LED的正极对负极连接成串，其优点是通过每个LED的工作电流一样，一般应串入限流电阻R，要求LED驱动器输出较高的电压。

当LED的一致性差别较大时，分配在不同的LED两端的电压不同，因通过每只LED的电流相同，所以每只LED的亮度是一致的。

图1LED采用全部串联方式

当某一只LED品质不良短路时，如果采用稳压式驱动（如常用的阻容降压方式，由于驱动器输出电压不变，那么分配在剩余的LED两端的电压将升高，驱动器的输出电流将增大，容易损坏余下的所有LED。

如采用恒流式驱动LED，当某一只LED品质不良短路时，由于驱动器输出电流保持不变，不影响余下的所有LED正常工作。

当某一只LED品质不良断开后，串联在一起的LED将全部不亮。

解决的办法是在每个LED两端并联一个稳压管，如图2所示。

当然稳压管的导通电压需要比LED的导通电压高，否则LED就不亮了。

或采用ADDtek的LED保护器A716、AMC7169和A720，额定电流分别是350mA、500mA和700mA。

采用ADDtek保护器的电路如图3所示，使用时将其与LED并联。

图2LED两端并联稳压管

图3采用ADDtek保护器的电路

串联方式能确保各只LED电流的一致性，如果4个LED串联后总正向电压VF为12V，就必须使用具有升压功能的驱动电路，以便为每个LED提供充足的电压。

但由于LED的VF值存在一个变化范围，LED之间的压差会随之变化，对亮度的均匀性有一定的影响。

在LED的串联数量方面，流经LED的电流不再受LED串联数量的限制。

为了满足不同的发光亮度需求，通过驱动多个LED就可以实现。

（三）LED采用全部并联方式

在并联设计中，多个LED由具备独立电流的驱动电路来驱动。

并联设计基于低驱动电压，因此无需带电感的升压电路。

此外，并联设计提供低电磁干扰、低噪声和高效率，且容错性较强。

在串联设计中，一个LED发生故障就会导致整个照明子系统失效，而并联设计可避免这种个严重的缺陷。

LED采用全部并联方式如图4所示，即将多个LED的正极与正极、负极与负极并联连接，其特点是每个LED的工作电压一样，总电流为∑Ifm。

为了实现每个LED器件之间的特性参数存在一定差别，且LED的正向电压VF随温度上升而下降，不同LED可能因为散热条件差别而引发工作电流IF的差别，散热条件较差的LED温升较大，正向电压VF下降也较大，造成工作电流斥上升，而工作电流斥上升又加剧温升，如此循环可能导致LED烧毁。

图4LED采用全部并联方式

LED采用全部并联方式要求LED驱动器输出较大的电流，负载电压较低。

分配在所有LED两端的电压相同，当LED的一致性差别较大时，通过每只LED的电流不一致，LED的亮度也不同。

当某一只LED品质不良断开时，如果采用稳压式LED驱动器（例如稳压式开关电源），驱动器输出电流将减小，不影响余下所有的LED正常工作。

如果是采用恒流式LED驱动，由于驱动器输出电流保持不变，分配在余下LED的电流将增大，容易损坏余下所有的LED。

解决办法是尽量多的并联LED，当断开某一只LED时，分配在余下LED的电流不大，不至于影响余下的LED正常工作。

当某一只LED品质不良短路时，所有的LED将不亮，但如果并联LED数量较多，通过短路的LED电流较大足以将短路的LED烧成断路。

现有两种用于并联配置的驱动IC：

一种是驱动VF已匹配LED的IC；另一种是驱动VF未匹配LED的IC。

1、驱动VF匹配的LED

使用具有内部匹配电流源的LED驱动IC来驱动并联的匹配LED，驱动IC在现有的3．3～5.5V总线电压下运行，LED的电流通过单一的外部电阻器来调节。

由于不需要DC/DC变换进行升压，故无需采用外部电感，因此电路的电磁干扰和纹波可达到最小。

如果电源电压稳定且经过稳压处理，无需为每个LED配备额外的电流设置电阻器。

如果有更高压的稳定电压，此电路还能为额外的串联LED提供匹配电流，但其电压必须至少为0．3V+nVF。

2、驱动VF未匹配的LED

为了驱动未匹配的LED，需要使用可为每个LED提供独立电流控制的IC来获得均匀亮度。

因为LED的VF有一定的范围，驱动IC将均匀地匹配各电流以获得均匀亮度，并可在现有的3．3～5V总线电压下运行。

电路中的驱动IC会测量所有LED的VF，选出最高VF的LED，并将Vout提升至驱动这个最大环值LED所需的最低电平。

3、LED采用混联方式

在需要使用比较多的LED的设计中，如果将所有的LED串联，将需要LED驱动器输出较高的电压。

如果将所有的LED并联，则需要LED驱动器输出较大的电流。

将所有的LED串联或并联，不但限制着LED的使用量，而且并联LED负载电流较大，驱动器的成本也会增加。

解决办法是采用混联方式。

LED采用混联方式如图5所示，串并联的LED数量平均分配，分配在一串LED上的电压相同，通过同一串每只LED上的电流也基本相同，LED的亮度一致。

同时通过每串LED的电流也相近。

图5LED采用混联方式

当某一串联LED上有一只LED品质不良短路时，不管采用稳压式驱动还是恒流式驱动，这串LED相当于少了一只LED，通过这串LED的电流将大增，很容易就会损坏这串LED。

大电流通过损坏的这串LED后，由于通过的电流较大，多表现为断路。

断开一串LED后，如果采用稳压式驱动，驱动器输出电流将减小，而不影响余下所有的LED正常工作。

如果是采用恒流式LED驱动，由于驱动器输出电流保持不变，分配在余下LED的电流将增大，容易损坏所有的LED。

解决办法是尽量多的并联LED串，当断开某一串LED时，分配在余下LED串的电流不大，不至于影响余下LED串的正常工作。

这种先串后并的连接方式的优点是电路简单、亮度稳定、可靠性高，并且对器件的一致性要求较低，即使个别使LED单管失效对整个发光组件的影响也较小。

并且对LED的要求也较宽松，适用范围大，不需要特别挑选，整个发光组件的亮度也相对均匀。

在工作环境因素变化较大的情况下，使用这种连接方式的发光组件效果较为理想。

先并后串混合连接构成的发光组件的问题主要在单组并联LED中，由于器件和使用条件的差别，导致单组中个别LED芯片丧失PN结特性，出现短路，个别器件短路使未失效的LED失去工作电流斥，导致整组LED熄灭，总电流∑Ifm全部从短路器件通过，而较长时间的短路电流又使器件内部键合金属丝或其他部分烧毁，出现开路。

这时未失效的LED重新获得电流，恢复正常发光，只是工作电流斥较原来大了一点。

这就是这种连接形式的发光组件出现先是一组几个LED一起熄灭，一段时间后，除其中一个LED不亮，其他LED又恢复正常

的原因。

LED的诈的不稳定性使多个LED并联使用时，工作电流精度范围受到限制。

因此，采用LED并联形式，应考虑器件和环境差别等因素对电路的影响，设计时留有一定的余量，以保证其可靠性。

混联方式还有另一种接法，即将LED平均分配后，分组并联，再将每组串联在一起。

当有一只LED品质不良短路时，不管采用稳压式驱动还是恒流式驱动，并联在这一路的LED将全部不亮。

如果是采用恒流式LED驱动，由于驱动器输出电流保持不变，除了并联在短路LED的这一并联支路外，其余的LED正常工作。

假设并联的LED数量较多，驱动器的驱动电流较大，通过这只短路的LED的电流将增大，大电流通过这只短路的LED后，很容易就变成断路。

由于并联的LED较多，断开一只LED的并联支路，平均分配电流不大，依然可以正常工作，那么整个LED仅有一只LED不亮。

如果采用稳压式驱动，因LED品质不良短路，在短路瞬间负载相当于少了一个并联LED支路，加在其余LED上的电压增高，驱动器输出电流将大增，极有可能立刻损坏所有的LED。

只有将这只短路的LED烧成断路，驱动器输出电流才能恢复正常，由于并联的LED较多，断开这一LED并联支路，平均分配电流不大，依然可以正常工作，那么整个LED也仅有一只LED不亮。

通过以上分析可知，驱动器与负载LED串并联方式搭配选择是非常重要的，恒流式驱动功率型LED是不适合采用并联负载的，同样的，稳压式LED驱动器不适合选用串联负载。

二、LED驱动电路的解决方案

车用LED照明工作电流需要恒流稳定，以实现理想的发光强度。

用汽车蓄电池驱动LED需要DC/DC转换器来准确调节LED电流，以确保LED发光强度和颜色一致，并保护LED。

在汽车照明中，LED驱动基本都采用蓄电池供电，不适合直接驱动LED，不能提供稳定的电压，因此，需要专门的驱动电路来点亮LED。

（一）电阻限流电路

图6电阻限流驱动电路

如图所示，限流电阻可写成，式中，Vin为电路的输入电压；VF为LED的正向压降；IF为LED的正向电流；VD为防反二极管的压降；y为每串LED的树木；x为并联LED的串数。

由图可得LED的线性化数学模型为

式中，Vo为单个LED的开通压降；Rs为单个LED的线性化等效串联电阻。

则上述公式限流电阻可以写为