Automotive LED Lighting.docx

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AutomotiveLEDLighting

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一、汽车LED车灯背景

随着我国经济、生活水平和汽车工业技术的发展，对汽车安全性能要求越来越高。

汽车信号灯的正常工作，可以保证驾驶员能及时给出行车信号和在夜间行车的良好视野范围。

加之节能环保和低碳的呼声日益高涨，汽车传统的照明电光源（白炽灯，氙气灯），正为高亮度的LED而取代，汽车的前灯，前后雾灯，制动灯，尾灯，转向灯和夜间行驶照明以及仪表背光灯都可采用LED，LED的平均寿命在50000h以上，因此使用LED可以大大降低更换车灯的频率和成本。

而LED灯驱动电源决定了LED灯的使用寿命，车用LED恒流驱动电路是目前汽车照明应用中的热点，一个输出稳定的恒流LED驱动是整个汽车LED照明系统性能的前提。

二、LED特点、发光原理及其V-I特性

1>LED特点

a>发光效率高，耗能低

b>无需热启动时间，亮灯响应速度快

汽车LED启动时间仅需60ns，而白炽灯的启动时间约在100-300ms，这样的时间差异意味着在高速行驶时的制动距离相差4-7m，研究表明，可降低汽车追尾事故发生率5%；

c>体积小，重量轻，发热量低；

d>寿命长

高达100000h以上，节省维护和更换；

e>外形设计弹性大

f>绿色环保

LED光谱中单色性好，没有多余红外、紫外等光谱，不含汞、钠元素等可能危

害健康的物质，且热量、辐射很少。

另外，LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。

2>LED发光原理

LED–LightEmittingDiode发光二极管，是一种能发光的半导体电子元件。

LED发光是一种注入式电致发光。

当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。

不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。

当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。

而光的波长决定了光的颜色。

发光波长：

式中：

h—普朗克常数；c—光速；半导体的禁带宽度—半导体的禁带宽度。

LED发光原理如图1所示：

需要注意的是，LED的发光亮度与其工作电流大小呈线性关系，即在LED电学性能允许的范围内，通过其的工作电流越大，LED越亮。

因此，电流的稳定性将影响其发光稳定性，故能够提供精确稳定的电流驱动电路是目前汽车LED的主流驱动模式。

3>LED主要电参数及其V-I特性

a>主要电参数：

最大正向工作电流IF：

是指LED正常工作情况下，允许加在LED的最大的正向电

流值。

最大浪涌电流IFM：

允许加在LED的最大的浪涌电流值。

正向工作电压VF：

是在给定的正向电流下得到的二极管正向工作电压。

最大反向电压VR：

LEDPN结所允许的最大反向电压。

额定功率PD：

允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流乘积的最大值。

b>V-I特性曲线

控制LED的发光亮度，实际是控制发光密度，如上图所示，当加在LED两端的正向电压小于某一阀值时，电流极小，LED不发光；当正向电压超过某一阀值后，正向电流随电压迅速增加，LED发光。

继续增加正向电压，电流将继续增加，LED亮度不断增加，但不允许超过LED允许的最大正向电流IF，否则LED将烧毁。

此时电压和电流呈近似线性关系。

三、汽车LED在实际电路中的连接方式及其特点

LED在电路中的连接方式主要包括串联、并联、串并联混合三种连接方式。

1>LED串联

LED串联连接方式的特点是总压降等于所有LED压降之和，每颗LED电流相等。

LED串联如左下图所示：

a>优点

LED串联方式的优点是，在整个串联电路中LED电流处处相等，因为LED的生产过程存在着批次差异及个体差异的问题，当LED的一致性差别较大时，虽然加在不同的LED两端电压不同，但由于通过每颗LED的电流相同，LED的亮度还是基本一致的。

b>缺点

LED的串联也存在显着的缺点，如果其中一个LED开路，那么所有的LED都不会工作。

采用LED串联的形式要求LED驱动器输出相对较高的电压。

通常，LED驱动器输出电压越接近串联中总的前向电压，LED驱动的效率越高，但串联方式的LED要求驱动电路输出的LED电压必须大于串联电路中总的LED前向电压，这也对系统效率稍有影响。

c>故障模式

I>短路

串联情况下发生短路时，恒流控制不会出现问题，恒压控制则会停止工作。

当某一颗LED因品质不良或其他原因导致短路时，若采用恒压源的驱动方式，那么由于驱动器输出电压不变，分配在剩余的LED两端电压必然将升高，驱动器输出电流将增大，这可能导致余下的所有LED损坏。

如采用恒流式LED驱动，当某一颗LED品质不良短路时，由于驱动器输出电流保持不变，此串联电路中余下的所有LED都将正常工作。

II>开路

串联情况下发生断路时，恒流控制和恒压控制都会出现问题，这是驱动电路设计时必须注意的问题。

当某一颗LED因品质不良或其他故障原因出现开路状态时，串联在一起的LED会全部不亮。

解决此问题的一个简单的办法是在每个LED两端并联一个齐纳二极管。

当然并联的齐纳二极管击穿电压需要比LED的导通电压高，否则LED就不亮了，这种解决方案会增加额外的功耗和成本，因此在LED的大量应用时不宜采用。

在实际应用中，采用串联模式的LED一般有闪光灯，汽车信号灯，刹车灯等。

2>LED并联

并联连接方式的特点是总电流等于各并联LED电流之和，加载在各串LED的电压相等。

LED并联如下图所示：

a>优点

与串联连接方式对比，这种配置的优点主要有，输出电压与串联方式比较低，任一条LED断路，不影响其他支路正常工作；

b>缺点

如果各LED正向导通压降不同，容易造成各LED不均流，从而导致LED亮度不均匀。

随着LED结温的不断升高，这种不均流将加剧，在不均流比较严重的情况下如果驱动电流大于LED最大工作电流时容易造成LED损坏。

c>故障模式

I>短路

LED并联使用，当某一个颗LED断路时，如果采用恒压源LED驱动，那么驱动电路输出电流将减小，余下的所有LED仍然可以正常工作。

如果是采用恒流源进行LED驱动，由于驱动电路输出电流保持不变，分配给余下的LED的电流将会增大，这可能导致剩余的LED损坏。

解决此问题的办法是尽量多的并联LED,当某一颗LED断路时，其余LED的电流增量并不大，不会过多影响其余LED的正常工作。

因此，LED以并联方式连接时，不适合选用恒流源进行驱动。

II>开路

 当某一颗LED短路时，所有剩余的LED都会不工作。

但有一种特殊情况，如果并联的LED数量较多，通过短路的LED电流很大，瞬间的发热量会将短路的LED烧成断路，则其余LED仍可以工作。

3>LED串并联混合连接方式

在需要大量使用LED的产品中，如果仅采用LED串联的方式，将需要LED驱动电路输出较高的电压。

如果仅采用LED并联的方式，则需要LED驱动电路输出较大的电流。

将所有LED单纯地串联或并联，不仅限制了LED的用量，还将导致驱动电路的设计复杂程度提升，成本加大。

通常情况下采用混联方式解决这个问题。

混联的连接方式是在综合了串联形式和并联形式的各自优点的基础上提出的，主要的形式有两种，先串联后并联（下图左）和先并联后串联（下图右）。

a>优点

综合了串并联连接方式的优点，可靠性好，整体效率高。

b>缺点

电路连接复杂，需考虑均流问题。

c>故障模式:

短路/断路

I>先串联后并联

当某一串联LED上有一颗短路时，不管采用稳压式驱动还是恒流式驱动，这串LED相当于少了一颗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上的电流将增大，容易导致余下的所有LED损坏。

解决办法是尽量多并联LED,当断开某一颗LED时，分配在余下LED上的电流不大，不至于影响余下的LED正常工作。

II>先并联再串联

当有一颗LED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。

同时，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，通过这颗短路的LED电流将增大，大电流通过这颗

短路的LED后，很容易就变成断路。

由于并联的LED较多，断开一颗LED的

这一并联支路，平均分配电流不大，依然可以正常工作，那么所有LED灯仅

有一颗不亮。

如果采用恒压式驱动，LED短路瞬间，负载端相当于少了一路

并联LED,加在其余LED上的电压增高，驱动器输出电流将大大增加，很有可

能立刻损坏所有LED,也有可能只将这颗短路的LED烧成断路，驱动器输出电

流将恢复正常。

由于并联的LED较多，断开一颗LED的这一并联支路平均后

的电流增量不大，依然可以正常工作，整个LED阵列也仅有一颗LED不亮。

目前，混合连接的方式已经在汽车刹车灯、尾灯、转向灯中广泛应用。

4>各类连接方式的优缺点比较

连接方式

优点

缺点

串联

电路简单，连接方便，驱动电压高（通常高于16V）；高电磁辐射；高噪音；LED点电流相同，亮度一致；LED效率高；DC/DC转换器，需要电感；设计面积大，应用成本高。

可靠性不高，驱动器输出电压高；

并联

电路简单，连接方便，驱动电压低（4.1—5V）；可以单独完成LED亮度控制；低电磁辐射：

低噪音；

开关电容式DC/DC转换器，无需电感：

设计面积小，鹿用成本低。

可靠性高，但需考虑LED的均流问题；LED效率较低；

混合式连接

可靠性较好，驱动器的设计制造方便，总体效率较高，适用范围较广。

电路连结较为复杂，并联的单个LED或LED串需要解决均流问题。

四、LED的驱动方式

1>恒压驱动

恒压LED驱动电路，是输出电压基本恒定的。

常用的恒压驱动电路可分为线性LED恒压驱动电路和开关模式LED恒流驱动电路。

线性恒压LED驱动电路比较简单，成本低，适合驱动低功率LED，但电路效率比较低；开关模式恒压LED电路，比较起线性恒压电路效率比较高，可靠性好。

由于LED伏安特性的非线性，很小的电压变化就会引起很大的电流变化，如果用恒压源直接驱动，LED电流会随着LED负载电压的微小变化而发生急剧变化，甚至会烧毁LED。

因此在实际应用中，恒压驱动电源一般会在LED负载前接入电阻限流或恒流LED驱动电路。

2>恒功率驱动

恒功率驱动电路输出功率基本恒定。

比较起恒压驱动，在同样的LED负载电压变化情况下，恒功率LED驱动有较好的恒流精度。

　　恒功率驱动电路主要以开关电源的拓扑结构为基础，应用于LED驱动电路中，其优点是可以减小由于LED结温升高造成的光衰。

在LED灯点亮后结温升高，特别是在LED结温比较高的情况下，如果采用恒流驱动光通量输出将随着结温的升高而下降，也就是光衰现象。

在恒功率驱动的情况下，随着LED结温的升高，负载LED的压降会降低，LED的驱动电流会有所增加，由于驱动电流的增加LED光通量输出将增加，因此弥补了由于LED结温升高造成的光通量减少现象，从而减小了LED灯的光衰现象。

3>交流驱动

随着LED材料技术，封装技术的不断进步，ACLED已经问世并不断改进和发展。

ACLED是指交流电直接驱动LED。

一般来讲，ACLED为了得到高电压而使用多个LED芯片串联，并将两路LED反向并联，或者连同一些整流桥，电阻等其它电子元件封装在一起的模组。

这种ACLED虽然操作简便（可直接交流电驱动）但频闪、总谐波失真以及LED灯珠的使用率等方面有待提高。

4>恒流驱动

从一二三节中我们可以了解到，车用高亮度LED工作电流应该恒流稳定，以实现稳定理想的发光强度。

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。

目前，恒流驱动模式是汽车LED最理想的驱动方式。

在现代汽车电子应用中，LED驱动基本上都采用蓄电池供电，不能提供稳定的电压，不适合直接驱动LED，因此，需要专门的驱动电路来点亮LED。

下面重点介绍LED常用的恒流驱动方式及其原理。

a>电阻限流电路驱动方式

如下图所示，电阻限流驱动电路是最简单的驱动电路，限流电阻按下式计算，

式中：

VIN为电路的输入电压；

IF为LED的正向电流；

VF为LED在正向电流为IF时的压降；

VD为防反二极管的压降（可选）；

y为每LED的数目：

x为并联LED的串数；

其中，图中Rx为可选电阻。

当电阻选定后，电阻限流电路的IF与VF的关系为：

由式上式可知电阻限流电路结构简单，缺点是在输入电压变化时，通过LED

的电流也会随着变化，因此调节性能较差。

另外，由于电阻R的接入损失的功率为xR*IF，因此效率不高。

参考电路图：

b>线性调节器驱动方式

线性调节器实质是通过工作于线性区的MOSFET或功率三极管作为一种动态可调电阻来控制输出。

线性调节器分为并联型和串联型两种，电路原理图如下图所示：

图a所示为并联型线性调节器又称分流调节器，它采用功率管与LED并联的形式，可以分流负载的一部分电流。

分流调节器也同样需要串联一个限流电阻Rsense，与电阻限流电路相似。

当输入电压增大时，流过负载LED上的电流增加，反馈电压增大使得功率管Q的动态电阻减小，流过Q的电流将会增大，这样就增大了限流电阻Rsense上的压降，从而使得LED上的电流和电压保持恒定。

分流调节器同样由于串入了限流电阻，系统的效率不高，并且输入电压变化范围比较宽的情况下很难做到恒流输出。

图b所示为串联型调节器，当输入电压增大时，使功率管的调节动态电阻增大，以保持LED上的电压（电流）恒定。

由于功率三极管或MOSFET管都有一个饱和导通电压，因此，输入的最小电压必须大于该饱和电压与负载电压之和，电路才能正常工作，使得整个电路的电压调节范围受限。

这种控制方式与并联型线性调节器相比，由于少了串联的线性电阻，使得系统的效率较高。

Opportunity：

Products

SPEC

Function

Opportunity

ZenerDiode

3-12V

Vre稳压

BZG05Cseries（Vishay）

SMDResistor

1%厚膜电阻

Rsense反馈

CRCWseries（Vishay）

AlCap

16V/35V,1uF-100uF

输入滤波

UUBseries（Nichicon）,MVEseries（UCC）

c>开关电源型驱动方式

开关电源型LED调节器是利用开关电源的原理进行DC／DC直流变换的，其电路原理如下图所示。

根据不同的输入/输出电压场合，有四种不同的驱动电路Buck、Boost、Buck-Boost（orFlyback）、Sepic：

（d）SepicLEDDriver

开关电源作为LED驱动开关电源从结构上看，其优点是有Boost、Buck和Buck-Boost等形式，都可以用于LED的驱动电路的设计，为了满足LED的恒流驱动，打破传统的反馈输出电压的形式，采用检测输出电流进行反馈控制，并且可以实现降压、升压和降压．升压的功能，开关电源作为能量变换中效率最高的一种方式，效率可以达到90％以上。

其明显的缺点是输出纹波电压大、瞬时恢复时间较慢，会产生电磁干扰（EMI）。

另外，价格偏高和外围器件复杂也是开关电源型驱动相对其他类型LED驱动的缺点。

下面介绍适用于LED驱动的这三种基本的开关变换电路。

I>Buck模式驱动

图（a）为Buck型LED驱动变换器电路，在结构上与传统的Buck变换器有所不同，为了方便开关管M1的驱动，M1移到电感L的后面，使得M1源极接地。

电路中LED与L串联，而续流二极管D与该串联电路反并联，该驱动电路不需要输出滤波电容，电路结构简单，降低了成本。

但是，Buck变换器是降压变换器，不适用于输入电压低或者多个LED串联的场合。

Opportunity:

Products

SPEC

Function

Opportunity

TVSDiode

18V

Vgsprotect

SMAJ18CA（Vishay）,TPSMA6L18A（Littelfuse）

Resistor

0.5%

电流采样

WSLseries（Vishay）

AlCap

16V/35V,1uF-100uF

输入/输出滤波,Fan

UUBseries（Nichicon）,MVEseries（UCC）

Mosfet

25V/40V/60V,1-10A

Boost/In-Output开关管

VishaySQJseries

Inductor

10-50uH,1-10A

Buck电感/EMI电感

VishayIHLP/IHLEseries

Schottkydiode

25-60V，1-10A

BuckDiode

VishaySS3X/SS5Xseries

II>Boost模式驱动

图（b）为Boost型LED驱动变换器电路，在结构上与传统的Boost变换器结构

基本相似，只采用LED负载的反馈电流信号，以确保恒流输出。

其不足是由于输出电容通常取得较小，LED上的电流会出现断续。

通过调节电流峰值和占空比来控制LED的平均电流，从而实现在低输入电压下对LED的恒流驱动。

参考电路:

Products

SPEC

Function

Opportunity

TVSDiode

18V

Vgsprotect

SMAJ18CA（Vishay）,TPSMA6L18A（Littelfuse）

Resistor

0.5%

电流采样

WSLseries（Vishay）

AlCap

16V-100V,1uF-100uF

输入/输出滤波,Fan

UUBseries（Nichicon）,MVEseries（UCC）

Mosfet

25V-100V,1-10A

Boost/In-Output开关管

VishaySQJseries

-60V,1-3A

FanControl

SQ9407EY

Inductor

1-50uH,1-10A

Boost电感/EMI电感

VishayIHLP/IHLEseries

Schottkydiode

25-100V，1-10A

BoostDiode

VishaySS2X/SS3X/SS5Xseries

III>Buck-Boost（Flyback）模式驱动

上图（c）为Buck-Boost型LED驱动变换器电路，在结构上与Buck电路相似，为了方便M1的驱动，M1的源极可以直接接地。

Boost和Buck-Boost变换器虽然比Buck变换器多一个电容，但是，它们都可以通过控制LED的峰值电流及占空比，提升输出电压的绝对值，来调节LED的平均电流，以达到调节LED亮度的目的。

因此，在输入电压低，并且需要驱动多个LED时应用较多。

通过上述对LED的DC／DC驱动电路的分析可知，电阻限流驱动方式中，调整与LED串联的电流检测电阻，即可控制LED的正向电流，易于设计、成本低，且没有电磁兼容（EMC）问题，但适用于输入电压要求低应用场合，不适用于汽车供电电压范围较宽的条件，依赖于电压、需要筛选LED，且能效较低，而且大功率LED驱动电流大，会在电阻上产生大量的损耗，降低效率。

线性恒流驱动电路易于设计且没有EMC问题，而且电路元件少、结构简单、恒流精度高、成本低、对负载和电源的变化响应迅速、低噪声特性等优点，不足在于功率耗散问题，要求较大尺寸的散热器，占用空间大，线性调节器对电源电压及LED负载变化的适应性差，仅能工作在降压状态，不能工作在升压状态，即电源电压必须高于LED工作电压。

而开关电源驱动通过PWM控制模块不断控制开关的开和关，进而控制电流的流动，具有高效、能够提供多种拓扑结构、降低驱动LED的半导体的功耗以及减少向LED传热等优势。

参考电路:

Opportunity：

Products

SPEC

Function

Opportunity

TVSDiode

18V

Vgsprotect

SMAJ18CA（Vishay）,TPSMA6L18A（Littelfuse）

CurrentsenseResistor

0.5%

电流采样

WSLseries（Vishay）

AlCap

16V-100V,10uF-100uF

输入/输出滤波

UUBseries（Nichicon）,MVEseries（UCC）

Mosfet

25V-100V,1-10A

Flyback/In-Output开关管

VishaySQJseries

-60V,1-3A

FanControl

SQ9407EY

Inductor

1-50uH,1-10A

Boost电感/EMI电感

VishayIHLP/IHLEseries

Schottky/ULTRAFASTdiode

25-100V，1-10A

续流

VishaySS2X/SS3X/SS5X（Schottky）series

ES3B/3C（Ultrafast）

d>Sepic驱动

e>开关电源驱动模式电路选择

一般而言，高亮度LED的正向电压降一般为2.6~3.8V，正向电流为350～400mA.白光LED的正向电压降为3～3.8V，典型值为3.5V，正向电流IF达到350mA。

红、黄LED正向电压降为2～2.6V，VF取2.3V，正向电流为400mA；纯绿、蓝色LED正向电压降为3～3.8V，VF取3.5V，正向电流为350mA。

因此首先可以根据选用的LED连接方式计算出驱动电路所需的总电压和电流。

在汽车LED驱动电路设计中，应采用哪种DC/DC转换器（拓扑电路）取决于LED驱动电压与汽车蓄电池电压之间的大小关系，依此来决定采用降压、升压还是降压一升压型拓扑电路，采用的拓扑电路必须能在整个蓄电池电压范围内控制LED电流，并使其保持恒定输出。

I>对于输出电压小于输入电压的系统，可以采用降压拓扑电路。

降压拓扑电路是基于开关转换器的LED驱动电路的首选电路，其结构简单、外围元器件少、适合恒流输出以及控制各种集成电路（IC）。

此种拓扑结构一般适用在汽车车内顶灯、化妆灯、阅读灯、后备箱照明等内部照明及门槛灯、“水坑”灯等外部照明。

II>对于输出电压大于输入电压的系统，应该采用升压拓扑电路。

升压拓扑电路虽然不太适合驱动LED，但是由于采用单独的感应器和两个电源开关，和降压拓扑电路一样，它们的效率很高。

此种拓扑结构一般适用在汽车转向灯应用中。

III>对于输入电压和输出电压的范围重叠，则需要降压．升压拓扑电路。

这种类型的拓扑电路是电气驱动电路设计可以采取的最后一种拓扑电路。

但是，由于受温度和工艺的影响，同时面对输入电压范围和允许误差与LED的VF的允差时，一般不选择这种最困难的方法，并且外围使用元件多，且效率不高，而且比另外两种拓