1、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
2、动 VF未匹配的 LED.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
3、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
4、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（V F）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
5、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 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
6、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 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
7、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
8、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 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，
9、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
10、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
11、能为额外的串联LED 提供匹配电流，但其电压必须至少为 03V+nV F。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
12、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，很容易就会损坏这串
13、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
14、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，
15、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
16、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
17、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
18、阻可写成 ，式中，V in 为电路的输入电压；V F 为 LED 的正向压降；I F 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
19、 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
20、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 MOSFET 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
21、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，V DD 是 5V，而 LED 的 VF 是3.0V，那么如果需要产生 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
