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1、LED 汽车前照灯驱动电路设计与仿真2011-05-19 21:14:20 来源:互联网 关键字: 恒流 LED 汽车前照灯 PWM LTspiceIV 引言引言有统计表明，90的交通事故是由于人的因素造成的，危险来源于复杂的交通状况，包括不合理信息、缺少信息以及过度紧张等。为了有效地减少盲区，避免眩光，提高夜间行车的安全性，一些著名汽车公司提出了先进前照灯系统或自适应前照系统(AFS)的概念，其特点是车辆前灯能主动调整照明光轴方向，自动适应夜间行车环境(包括迎面车辆、弯道坡度、高速公路、城市街区等情况)的变化。近年来，高亮度 LED 的发展很快，汽车前照系统中采用高亮度或超高亮度 LED 将
2、是一种发展趋势。目前，已有 1 201 m 超高亮度 LED 的报道，8 个超高亮度 LED 就能产生 10 001 m 的光强。LED 光源除了显而易见的寿命长，结构坚固，功耗低等优点外，其固有的体积小，设计更灵便，反应快，控制更容易等特点，使它在汽车自适应前照系统中的应用有较大的潜在优势。汽车电气是酸铅蓄电池供电的，典型值为 12 V，但实际电压在 12 V 左右不断变化。如何利用电压值低且不断变化的汽车电源设计一种电流精度高，亮度可调，低功耗的驱动电路是制造 LED 汽车前照灯的关键技术。本文在输入电压为汽车电源电压，负载采用 8 颗 700 mA 大功率白光 LED 的条件下设计一种基
3、于 LTC3783 芯片 PWM 控制 LED 亮度的恒流 LED汽车前照灯驱动电路，输出电流稳定、精度高、电路转换效率高。1 LED 发光特性及驱动类型的选择发光特性及驱动类型的选择11 LED 发光特性由于 LED 本质上就是能发光的二极管，只不过门槛电压和导通压降要更大，它的动态阻抗相对较小，较小的电压变化就能导致较大的电流变化，其工作电流与导通压降呈指数式的变化规律，如下式所示：式中：Is 为反向饱和电流；If 为正向工作电流，指 LED 正常发光时的正向电流值。LED 是电流型器件，发光亮度与工作电流有关，。其中：m 近似等于 1；K 为比例系数。当电流增大时，发光亮度呈正比增大。为
4、保持同等的光输出，LED 驱动电源应该控制通过LED 的电流大小不变，即用恒流源驱动 LED。该设计中的负载采用 8 个 Luxeon 公司型号为 LXML-PWC1-0120 的 LED 串联。LED 规格参数如表 1 所示。12 驱动类型的选择121 驱动方式LED 驱动方式可分为恒压源驱动和恒流源驱动。恒压源驱动的负载一般采用 LED 多支路并联，每个支路都要串连一个有一定阻值的镇流电阻，要求高电流输出时，电路的转化效率较低。由于 LED 是电流型器件，即使电压发生微小的变化也可引起电流的大幅度变动，恒压源驱动将影响到 LED 的发光质量和稳定性；恒流源驱动能控制输出电流稳定，LED 发
5、光质量好，一般采用串联连接，只有一个小阻值的检测电阻，效率相对较高，适用于汽车前照灯 LED 驱动上。恒流源串联驱动时，一般每个 LED 并联一个稳压管，防止某个 LED 烧坏导致整个电路开路。122 拓扑结构LED 驱动电路可分为线性稳压器电路和开关型变换器电路。线性稳压驱动电路虽然比较简单，但是在芯片和限流电阻上的功耗比较大，效率非常低。开关型变换器驱动又分为电荷泵驱动和电感式驱动。电荷泵驱动器是利用电容将电流从输入端传到输出端，整个方案不需要电感，具有体积小，设计简单的优点，但它只能提供有限的输出电压范围，不适用于多个大功率 LED 串联。所以设计中采用了电感式升压驱动。在图 1 电路中
6、，当 MOSFET管 M1 导通时，电感电流增加，开始储能，LED 开始发光，续流二极管由于承受反向电压关闭。当 MOSFET 管 M1 关断时，电感电流减少，开始释放能量，通过肖特基二极管续流。123 调光方式在汽车前照灯系统中，通过控制 LED 的亮度可以实现近光和远光的转换，而在自适应前照灯系统中调节 LED 亮度配合 LED 阵列不同位置 LED 的亮灭可实现照射光束不同的照明距离和偏转角度，适应不同的路况信息。当输入电压值有波动时，LED 的电流也随着波动，通过电流反馈，可以进行调光控制保证流过 LED 的电流不变。另外 LED 亮度调节还可以应用在热调节电路上，代替传统的体积大的散
7、热片装置。能够准确，高效地实现 LED 调光也是驱动电路考虑的重要因素之一。通常情况下，可采用外部 SET 电阻、线性调节和 PWM 调节等技术来控制 LED 的亮度。在LED 驱动器外部使用 SET 电阻的方式缺乏灵活性，无法进行动态调节。线性调节可动态控制 LED 的亮度，但会降低 LED 的效率，并引起白光 LED 朝向黄色光谱的色彩偏移。相比较而言，PWM 调节技术的优势十分明显，当 PWM 脉冲为有效高电平或低电平时，LED 输入电流分别为最大或 0，其导通时间受控于 PWM 引脚输入脉冲的占空比。由于 LED 始终工作于相同的电流条件下，通过施加一个 PWM 信号来控制 LED 亮
8、度的做法，可以在不改变颜色的情况下实现对 LED 亮度的动态调节。为保证 PWM 调光不被人眼察觉，PWM 调光频率一般要大于 100 Hz，但过高的频率会增加MOSFET 的动态损耗。该设计中取 PWM 调光频率为 120 Hz。124 设计规格表 2 所示为本文 LED 恒流驱动电路的设计规格。2 驱动主电路设计驱动主电路设计21 电路组成该电路主要由 LTC3783，MOSFET 管 M1、M2，电感 L1，续流二极管 D9，检测电阻 R9，输出电容 C4 大功率 LED 串组成的升压型电感式电流控制模式驱动电路。主电路如图 2 所示，LTC3783 是凌特公司推出的电流模式多拓扑转换器
9、 PWM 调光范围的大功率 LED 驱动器，应用范围包括电信、汽车和工业控制系统中的高压 LED 阵列、背光照明以及稳压器。通过改变芯片 FREQ 引脚外接电阻的大小来决定芯片的高频控制信号频率 f，GATE 引脚输出一个峰值为 7 V 的脉冲信号，它是 PWMIN 引脚接收的 PWM 控制脉冲和芯片 LTC3783高频控制输出脉冲的与。GATE 引脚驱动 MOSFET 管 M1，控制功率 MOSFET 管 M1 的通断，引起流过电感 L1 电流的变化，产生一个压降，它与输入电压的和为输出电压。PWMOUT引脚输出一个与 PWMIN 引脚相同的 PWM 控制脉冲信号，驱动 MOSFET 管 M
10、2，PWM 脉冲的占空比决定 LED 串电流的占空比，进而控制 LED 串的亮度。FBN 引脚接受检测电阻R9 反馈的电压信号，当输出电流因输入电压发生变化时，调整电路占空比，保持输出电流恒定。22 主要参数的计算221 开关频率 f 的选取PWM 控制脉冲信号与芯片高频开关控制信号如图 3 所示，可以看出两者有如下关系：采用 PWM 控制 LED 亮度时，一般为了避免让人觉察，控制脉冲的频率选择 fPWM=120 Hz。每个控制脉冲高电平至少要包含 2 个芯片高频开关脉冲，即 N2。为了达到数字化实现 DPWM 为 1：3 000 的调光比，选择芯片频率 f 为 1 MHz。而芯片开关频率是
11、由连接在芯片 FREQ 上的电阻 R2 决定的。f 与 R2 的关系如图 4 所示，该设计中选择 R2=6 k。222 计算电路占空比 D电路最大占空比计算公式为；式中：VOUT 为输出电压；VIN(MIN)为最小输入电压；VD 为二极管 D4 的正向压降 V。最小输入电压为 10 V，输出电压为 286 V，二极管正向压降为 04 V，由式(3)计算得到最大占空比为 59。LTC3783 允许的最大占空比可以达到 90 。223 计算最大输入电流计算最大输入电流的目的是为了计算其他元件的额定值，输入电流计算公式为：式中：2 表示纹波电流与平均电流的比值。这里取 =Iout20=700 mA；
12、DMAX 为59；算得最大输入电流为 18 A。224 输入电感 L1 的计算经过电感 L1 的纹波电流为：算得 L=12H。225 输出电容 C4 的计算输出电容主要是减少输出电流的纹波。LED 上流过电流的纹波对 LED 的光效和光衰有重要影响，在一定的平均电流下，纹波越大，则有效值越大，转化成的热量越多，光效越低，光衰越厉害，寿命越短。所以对 LED 来说，较好的驱动电流是纹波很小的直流电流。假设纹波电压不超过输出电压的 1，有：电容越大纹波电流越小，考虑成本因素，取式(7)计算得到的输出电容最小值为 5 F。为防止产生过多的热量，输出电容应选取低 ESR 值，高耐压的陶瓷电容。3 MO
13、SFET 管、续流二极管的选取管、续流二极管的选取MOSFET 管漏端电压为输出电压等于 286 V，假设用高于额定电压的 30 来计算漏极峰值电压，那么 MOSFET 管漏极的最大电压为 38 V。流过 MOSFET 管 M1 的最大电流IIN(MAX)为 18 A，M2 的最大电流为 700 mA 左右，一般选取实际电流的 3 倍为MOSFET 管的额定电流。所以选取耐压值为 60 V，最大正向电流为 75 A，内阻为 11 m 的 N 沟道 MOSFET 管，型号为 SI4470EY。D9 的电压与 MOSFET 管 M1 的电压相同，最大电压为 38 V，流过 D9 的电流等于负载输出
14、电流 700 mA，所以选择耐压值为 40 V，最大正向电流为 116 A 的肖特基二极管，型号为 ZETEX ZLLS1000。4 仿真结果仿真结果用 LTspiceIV 软件对电路进行仿真。图 5 是输入电压分别为 10 V，12 V，14 V，无 PWM调光时负载 LED 随时间变化的输出电流值。图 5 可以看出，随着输入电压发生变化，电路的占空比发生变化，输出电流基本不变。电流稳定后测得电流在 705715 mA 之间变化，即驱动电路输出一个均值为 710 mA，有 07纹波的电流。电流精度为：式中 IOUT(MAX)为实际输出电流最大值；IP 为设定的输出电流。图 6 为 PWM 调
15、光时，PWM 波形和 MOSFET 漏极电压波形图，可以看出功率管 MOSFET的输入信号是 PWM 输出信号和 LTC3783 高频开关控制输出信号的与，两个信号的占空比都可以调节输出电流的大小。图 7 为 PWM 调光时控制脉冲占空比分别为 20，50，80时实际的输出电流。实际输出电流与 PWM 脉冲的占空比相同，进而实现 LED 亮度的调节。为计算电路的转换效率，测得驱动电路的输入电压、输入电流、输出电压和输出电流的值如图 8 所示。可以看出输入电压 VIN 为 12 V，输入电流 IIN 为 186 A，输出电压 VOUT为 286 V，输出电流 IOUT 为 710 mA，因此电路转换效率为：5 结语结语本文基于凌特公司的 LTC3783 芯片，设计了用于汽车前照灯的 8 个大功率白色 LED 串驱动电路。仿真结果表明，在输入电压在 1014 V 时，输出电流为一个均值，大小 710 mA，有 07纹波的电流，电流精度为 21，输出电压为 286 V，输出功率为 20 W，电路转换效率为 91。驱动电路同时具有 PWM 调光的功能，输出一个与 PWM 信号占空比相同的电流。本文设计的 LED 驱动电路具有恒流精度高，输出功率大，转换效率高，亮度可调的特点。
