1、eld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 51、驱动VF匹配的LED 62、驱动VF未匹配的LED
2、 63、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
3、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
4、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
5、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1 LED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
6、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2 LED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LE
7、D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
8、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4 LED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L
9、ED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335.5V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
10、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03V+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335V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
11、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5 LED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
12、，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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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当电阻选定后，电阻限流电路的IF与VF的关系为由上述公式可治，当输入电压波动时，通过LED的电流也会跟随着变化，因此调节性能差。另外由于电阻R的接入，损失的功率为xRIF2，因此电路的效率低。电阻限制LED的电流的方法并不适合采用额定电压为12V或24V的蓄电池系统，因为蓄电池的实际电压为从618V或1236V。因此，如果需要保持亮度，就必须进行横流控制。（二）线性调节器驱动LED的最佳方案是使用恒流源。实现恒流源的简单电路是：用一个MOSFET与LED串联，对LED的电流进行检测并将其与基准电压
18、相比较，比较信号反馈到运算放大器，进而控制MOSFET的栅极。这种电路如同一个理想的电流源，可以在正向电压、电源电压变化时保持固定的电流。目前，一些线性驱动芯片在芯片内部集成了MOSFET和高精度电压基准，能够在不同照明装置之间保持一致的亮度。线性驱动器相对于开关模式驱动器的优点是电路结构简单，易于实现。因为没有高频开关，所以也不需要考虑EMI问题。线性驱动器的外围组件少，可有效降低系统的整体成本，线性驱动器的功耗等于LED电流乘以内部(或外部)无源器件的压降。当LED电流或输入电源电压增大时，功耗也会增大，从而限制了线性驱动器的应用。 线性变换器的核心是利用工作于线性区的功率晶体管或MOSF
19、ET作为一动态可调电阻来控制负载。线性变换器有并联型和串联型两种。图7所示为并联型线性变换器，又称为分流变换器（图中仅画出了一个LED，实际上负载可以是多个LED串联），它与LED并联，当输入电压增大或者LED减少时，通过分流变换器的电流将会增大，这将会增大限流电阻上的压降，以使通过LED的电流保持恒定。使用串联电阻器(线性法)调节电流是最简单方式，如图8所示。其优点在于成本低、实施简单，而且不会由于开关而产生噪声。这种拓扑的主要缺点是：电阻器上的功率损耗导致系统效率降低；不能控制LED的发光亮度。而且，这种方案需要用稳压源来得到恒定的电流。例如，VDD是5V，而LED的VF是3.0V，那么如
20、果需要产生350mA的恒定电流，将需要R=V/I，此时R=(53.0)V350mA=5.7，电阻R将消耗的功率为RI2，即0.7W(几乎相当于LED的功率)，因此总体效率就不可避免地低于50%。图7 并联型线性变换器 图8 串联型线性变换器（三）开关调节器开关电源型LED调节器是利用开关电源的原理进行DC/DC直流变换的，其电路原理如图所示图9 开关调节器电路开关电源作为LED驱动开关电源从结构上看,其优点是有Boost、Buck和Buck一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
21、、升压和降压一升压的功能,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。三、基于MAX16807的汽车LED驱动电路设计MAX16807是集成的、高效白色或RGBLED驱动器。MAX16807具有826.5v输入电压范围或采用外部偏置器件兼容更高的输入电压，低电流检测基准(300mV)实现高效率，较宽的频率调整范围(20kHz1MHz)允许通过对效率和电路板空间进行折中优化设计。MAXl6807LED驱动器包括8个漏极开路、恒
22、定吸电流驱动LED的输出通道（每通道电流高达55mA)，额定连续工作电压为36V。LED电流控制电路可使LED串之间的电流匹配度精度达到3，能使电流高于55mA的LED串并联工作。输出使能引脚可用于同时对所有输出通道进行PWM调光（高达30kHz），亮度比可达5 000：1。由单个电阻设置所有通道的LED电流，8个恒定电流输出通道，每个输出通道的LED电流可调整至55mA，将通道并联应用可驱动具有更大电流的LED。MAX16807可运行于独立工作模式，也可以由微控制器（C）通过工业标准的4线串行接口控制。MAX16807具有自动检测LED开路和过热保护功能，可工作于扩展的40+125温度范围，
23、采用热增强型、带裸露焊盘的28引脚TSSOP封装。MAX16807的引脚排列如图10所示。MAX16807的引脚功能见表1。图10 MAX16807的引脚排列图表1 MAX16807的引脚功能引脚符号功能1、13、28NC空脚2AGND模拟地3OUTMOSFET驱动器输出端，连接至外部N沟道MOSFET的栅极4Vcc电源输出端，使用一个0.1F的陶瓷电容或0.1F的陶瓷电容并联一个更高容量的陶瓷电容将Vcc旁路至AGND5REF5V基准输出端，使用一个0.1F的陶瓷电容将REF旁路之AGND69OUT4OUT7LED驱动器输出端，使用一个0.1F的陶瓷电容或0.1F的陶瓷电容并联一个更高容量的
24、陶瓷电容将Vcc旁路至AGND的漏极开路，额定电压为36V的很定吸电流输出10OE低电平有效输出使能控制，将OE驱动至PGND低电平则使能OUT4-OUT7，将OE驱动之PGND高电平则禁止OUT4OUT711DOUT串行数据输出，数据在CLK的上升沿从内部8位移位寄存器移出到DOUT端12SETLED电流设置，在SET与PGND之间连接电阻RSET设定LED电流14V+LED驱动器正电源，使用一个0.1F的陶瓷电容旁路V+至PGND15、16PGND功率地端17DIN串行数据输入18CLK串行时钟输入端19LE锁存器使能输入，当LE为高电平时，数据从内部移位寄存器透明传输到输出锁存器，数据在
25、LE的下降沿锁存到输出锁存器，且在LE为低电平时保持2023OUT0OUT3LED驱动输出端，OUT0OUT3是漏极开路，额定电压36V的恒定吸电流输出24COMP误差放大器输出端25FB误差放大器反相输入端26CSPWM控制器电流检测输入端27RTCTPWM控制器定时电阻/电容连接端，振荡器频率由连接在RT/CT与REF之间的电阻RT和连接在RT/CT与AGND之间的电容CT设定-BP裸焊盘，连接至地层以改善功率耗散，不要作为唯一的接地端使用MAX16807可以工作在Buck、Boost或SEPIC模式，具体取决于输入电压范围以及每个输出通道的LED数量。增加一个外部电阻和一个齐纳二极管可以
26、进行抛负载测试。虽然各个通道的电流都由一个电阻设置，但每串通道的电流可以独立调整。在不增加任何外围组件的情况下，该结构可以保证每通道之间的电流匹配度优于3。对于不同批次的LED，每通道可以分别调节匹配度，也可以通过使能引脚统一调节各个通道。采用50Hz30kHz的调节频率，可以实现5 000：1的调光范围。为了在黑暗中以及阳光直射的情况下均可见显示器内容，汽车电子所要求的调光比较高。当亮度调节信号的开关频率范围为20kHz1MHz时，可以避开干扰其他设备(如收音机)的频段。MAX16807集成了LED开路检测功能，这些控制器也可级联起来构成大型LED阵列驱动电路。采用MAX16807构成（SE
27、PIC）的LED驱动电路如图11所示。在图11所示电路中，MAX16807是SEPIC方案中的核心控制器，能够为两串HBLED(每串5只LED)提供150mA的驱动电流。Ic采用峰值电流控制模式，开关频率可变。另外，MAX16807具有8路可编程吸电流控制电路，每路可提供50mA电流，36V驱动器可精确建立每串LED所要求的驱动电流。为了获得更高的电流，还可以将输出连接在一起。通过OEB引脚能够以非常短暂的占空比控制HBLED驱动器的通断，提供较宽的调光范围。MAX16807控制器件组合了多项功能，电路首先建立公共电源电压，然后由线性驱动器调节每串LED的电流。图11 采用MAX16807构成
28、的HB-LED驱动电路SEPIC(单端初级电感转振器)设计中具有初级电感(L1)、次级电感(L2)和位于两个电感之间的串联电容(C3)，某种程度上，可以把SEPIC设计看作是具有隔直流电容(消除输入电压)的Boost调节器，允许输出电压高于或低于输入电压。然而，为了复位隔直流电容，允许能量传递到输出端，在次级放置了另一个电感L2。 在对电路进行分析时，会发现C3上的直流电压等于输入电压，当MOSFET(Q1)导通时，Kin为L1充电、C3为L2充电。由于C3上的电压等于输入电压，导通期间每个电感将作用相同电压。关闭期间，每个电感的放电电压相同(输出电压加上VD1的导通电压)。由于L1和L2具有
29、相同的充、放电电压，它们可以具有相同的电感量和纹波电流，但两者的平均电流相差较大。 Q1导通时，VD1反偏，只有输出电容C12支持输出电流（ILED）。Q1断开时，L1的电感电流流过C3，与L2电流合并，为输出电容充电并支持ILED。通过对电路进行分析，会发现电路中如的电流用于支持ILED，L1的电流重新为输出电容充电，补充能量。即L2的平均电流等于ILED，而厶的平均电流等于ILEDVout/Vin。 开关频率的选择需要权衡最小电感、电容尺寸，并在较高开关频率时不会对Q1造成不合理的热应力要求。MAX16807数据手册给出了一个公式，利用定时电阻（R6）和定时电容（C7）确定开关频率。选择3
30、kQ电阻和1 000pF电容，电源变换器将工作在500kHz标称频率，能够在尺寸和效率之间达到较好的均衡。 MAX16807采用峰值电流控制模式，该模式将开关电流的峰值与输出电压误差相比较，产生相应的脉冲占空比，控制输出电压。电流检测电路还提供过电流保护。为了防止毛刺注入电路，采用由R7（1kQ）和C10（100pF）构成的100ns滤波器，该滤波器足以消除电压毛刺，而且不会对电流波形有太大影响。 对于电流模式控制器，当占空比高于50时，会造成谐波不稳定。这是由于电流的上升（通）斜率高于下降（断）斜率，不稳定性表现为调节器为了获得正确的占空比，会在大/小占空比之间交替变化。不稳定性会导致电流、
31、电压纹波增大，为了避免这一问题的出现，可以人为增大电流监测信号的斜率。 晶体管VT2的基极连接在RTCT引脚，该引脚的纹波电压通过驱动VT2进入VD2和R8，在R7，产生一个小电流，为电流检测信号提供一个斜率补偿。 SEPIC设计中需要确定使用两个分离电感还是耦合线圈。通常，使用一个耦合线圈要比使用两个电感价格便宜。另外，使用耦合线圈可以减小电流（是电感L1、L2的主要决定因素），从而减小电感量。 当然，与分离电感相比，耦合线圈的选择范围较窄。如果在多种应用中采用同一设计，最好选择分离电感，因为L1的平均电流在很大程度上取决于VIN和VLED。考虑到设计灵活性，可以选择分离电感。MAX1680
32、7是具有8路线性HB-LED电流驱动器（OUT0OUT7）。电阻R5用于设置每个驱动器的电流，每路驱动器的最大电流可达50mA。并联驱动器输出可以获得更大的HBLED驱动电流。该设计中将每路驱动器电流设置在375mA，4路驱动器并联后可以为每串HBLED提供150mA的电流。可通过两种途径控制驱动器：一种是由OEB引脚控制驱动器的通、断，实现PWM亮度调节，这种方式为首选方案；另一种是通过SPI接口分别控制每路驱动器的通、断。还可以通过SPI接口获悉驱动器是否发生故障。在图414所示电路中，施密特触发反相器U2，通过CLK引脚将一串连续的“1”送入IC，开启输出。必要时，也可以通过J2连接SPI接
