汽車LED照明系統的挑戰和解決方案作者： 時間：2009-07-17來源:始終以來，汽車的剎車燈、轉向信號燈、倒車燈以及車尾霧燈都采納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采納4W至10W、亮度為40至130流明的鎢絲燈泡，汽車頭燈則采納高亮度的氙氣熒光管（HID）。但在汽車照明中，越來越多地采納LED作為光源。尾部中心高位剎車燈是最早采納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），以及車頭近光燈都起先改用LED燈泡。預料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起先采納LED作為光源，如儀表盤以及TFT顯示器。汽車LED照明系統的優點白光LED的色溫約為6000K，視覺上幾乎等同于自然光。由于人眼區分顏色的實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調狀況下，對景物或公路邊沿才有很好的區分實力。LED燈的平均壽命比鎢絲燈以及高亮度熒光燈管長，而且更加穩定牢靠。如可以削減出故障的幾率，同時無需頻繁地更換燈泡，省卻了許多麻煩。而且采納LED可以節約更多的能源。LED燈外形更小，更簡潔裝入燈座內，在占用更少空間的同時，更簡潔協作時尚的燈飾設計。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，從而降低了被跟隨車輛碰撞的危急。另外，LED是固態光源，可以承受更大的振動。驅動LED燈的技術要求由于LED的亮度與流過的電流成正比，所以須要恒定的電流源來驅動LED。在任何狀況下，流過LED的電流要保持恒定，才能確保LED亮度的一樣性。另外還須要在任何狀況下都能將紋波電流限制在可接受的水平。所以說LED驅動器的設計屬于電源轉換電路設計，其特點是恒流輸出而非恒壓輸出。LED驅動器設計中，必需增加堵塞電路，為防止電源反向操作供應愛護。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狀況下確保LED能夠正常工作。在正常操作的狀況下，小轎車的電池供電電壓介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于18V與32V之間（例如24V系統總線）。在出現負載斷電或冷啟動的狀況時，電池的輸入電壓范圍會與正常的范圍有很大的出入。在發電機運行期間，假如電池的供電被突然截斷，此時發電機會接著發電，運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，假如不實行愛護措施，將會損壞用電器。假如LED的驅動不是恒流驅動，LED的電流就會有所變更，造成LED的亮度變更，這就是為什么目前的汽車燈會存在閃耀現象。下面是一個負載斷電測試的一個定義，用來仿照負載突斷的一些情形。不同的汽車廠商采納不同的標準，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。圖1負載斷電測試的定義盡管負載突降會造成負載電壓上升，但大部分先進的溝通發電機都配備了中心限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。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。圖2“冷啟動”測試的典型波形由于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平安的汽車燈必需不受負載斷電及冷啟動的影響，甚至必需能夠在這種狀況下接著正常運行。在典型的狀況下，12V總線系統的輸入范圍6V到42V，24V總線系統的輸入電壓范圍為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、設計簡潔；缺點是電流會隨著正向電壓和驅動電壓的不同而變更，所以LED發出的亮度會變更。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。所以這是一個簡潔、但并不是一個最高效的方法。其次種方法是線性穩流器，也叫恒流源。它的優點是設計簡潔、電流恒定；缺點是效率很低，而且隨著輸入電壓的上升，線性芯片承載的壓降也就越大，所以線性芯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，而且電流恒定。由于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運用。其最大的缺點是設計線路要困難些，而且成本相對較高。表1三種LED驅動方法比較用于高亮度汽車燈的升壓/降壓LED驅動器汽車照明中為什么要用到升壓/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，我們須要保持流過LED的電流恒定，升壓/降壓LED驅動器可以確保無論輸入電壓高于還是低于輸出電壓，電流都能保持恒定。這保證了在負載斷電和冷啟動的時候，和平安有關的照明燈可以保持恒定的亮度。另外，多樣化的LED汽車照明應用也須要不同的LED驅動器拓撲結構。部分汽車燈生產商希望能夠有一個LED驅動平臺可以適用于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志向驅動器解決方案。LM3423（圖3）是NS公司一款升壓/降壓LED驅動器芯片，它不僅可以供應快速的調光限制、牢靠的愛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，滿意不同的LED車載驅動的要求。3LM3423升壓/降壓應用原理圖用于LED背光系統的升壓LED驅動器在一般的應用狀況下，我們都會采納升壓恒流LED驅動器驅動多串數量較多的LED，采納這種配置的LED背光系統可為汽車儀表板及導航系統顯示器供應背光。另外，汽車儀表板顯示器必需加設調光限制功能，以便限制LED背光燈的亮度。如在四周環境較光亮時可以調高亮度，而在四周環境較暗時，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，影響駕駛平安。此外，具有PWM調光功能的限制器必需具有很好的對比度，即具有很好的線性調整度。PWM信號是串脈沖信號，我們可以通過切換電流開關來限制脈沖的放射，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占空比來實現的，假如器件的占空比很小，那么調光的范圍就會較大，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。由于模擬調光是通過變更LED的電流實現的，當LED的電流變更的時候，LED的顏色也會發生變更，所以我們通常會選用PWM調光作為亮度限制方法。采納這種方法時，LED要么導通，要么關斷，不會使LED的顏色發生變更。LM3423可支持快速調光限制以及“0”停機電流功能，適用于汽車導航系統顯示器以及儀表板的LED背光系統（圖4）。它可以確保流過每個燈的電流是一樣的，在LED下方串接了一個MOS管作為調光限制的開關。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DIMN-FET，吩咐串聯在一起的LED進行快速開關，以便限制亮度，調光限制頻率可以高達50kHz。4LM3423升壓LED驅動器5中展示的是調光效果對比，可以看到，在很低的占空比條件下，可以保持同樣的開關，流過LED的電流是恒定的。圖中顯示的調光占空比是0.5%，輸入電壓為12V，LED的電流為100mA，驅動的數目為每10個LED。這里的調光頻率選擇的是230Hz，當四周環境的亮度變暗時，汽車顯示器的LED背光便會調低燈光的亮度。假如占空比很小，那么亮度就可以調得很低，在環境亮度很暗的時候，就不會覺得儀表盤的亮度很刺眼。圖5LM3423調光限制效果對比運用傳統的升壓模式的驅動器時會面臨一個問題：不管限制器驅動工作與否，其輸入和輸出之間都一個通路，這種狀況下，輸入端的電池會對負載有個直流的通路，會造成漏電。當用于車載照明時，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