詳解高亮度LED驅(qū)動(dòng)電路在汽車中的應(yīng)用

近年來，高亮度LED應(yīng)用發(fā)展神速，特別是在指示牌、交通信號(hào)燈方面。而對(duì)汽車應(yīng)用來說，LED亦有極大的吸引力，長(zhǎng)壽命、抗震、高效、對(duì)光源良好的控制能力，都是它的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，相對(duì)于白熾燈，LED需要驅(qū)動(dòng)電路，還有汽車電氣是靠酸鉛蓄電池供電的，是機(jī)械驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)充電，這類電池適合白熾燈，不適用LED，因此，設(shè)計(jì)一種穩(wěn)壓性能良好而又低噪聲的驅(qū)動(dòng)電路是十分必要的。 　　理論上，LED光輸出與驅(qū)動(dòng)電流有關(guān)，而與電源電壓無關(guān)。最對(duì)低要求應(yīng)用，如果電源電壓穩(wěn)定的話，一個(gè)電阻就可限制電流。值得注意的是，對(duì)這種最簡(jiǎn)單的應(yīng)用電路，LED在一定程度上顯示出自穩(wěn)定特性。亦即，若溫度升高的話，LED的光輸出減少，但同時(shí)其正向壓降亦降低，使驅(qū)動(dòng)電流增加，從而補(bǔ)償了較高溫度下光輸出的減少。 　　遺憾的是，汽車電源的變化范圍是很大的，在8V-18V之間，峰值電壓可達(dá)幾十伏。此外，高亮度LED驅(qū)動(dòng)電流大，會(huì)在電阻上產(chǎn)生大量的熱量，使散熱設(shè)計(jì)復(fù)雜化。 圖1 簡(jiǎn)單穩(wěn)流電路 　　相對(duì)簡(jiǎn)單的方案是使用線性降壓穩(wěn)壓器(圖1)，D1是一個(gè)穩(wěn)壓二極管，通過LED的電流設(shè)定為VD1/RSET。D2對(duì)基極二極管進(jìn)行濕度補(bǔ)償。這個(gè)電路仍然存在能量損失問題和電阻散熱問題。對(duì)于低電流LED，尤其是串聯(lián)后的LED正向壓降和稍低于電源電壓的場(chǎng)合，這個(gè)電路不失為經(jīng)濟(jì)有效的方案。 　　在多數(shù)場(chǎng)合，開關(guān)電源提供一種更佳的電氣解決方案。顧名思義，開關(guān)電源是開關(guān)工作的，在一個(gè)周期，對(duì)RLC電路充電;在下一個(gè)周期，存儲(chǔ)的能量用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載。這類電路效率極高，一般都能達(dá)到90%以上，開關(guān)穩(wěn)壓器能提升電壓，降低電壓，還能產(chǎn)生極性相反的電壓，這是線性穩(wěn)壓器所不具備的。 圖2 降壓型開關(guān)穩(wěn)流電路 　　最簡(jiǎn)單的開關(guān)穩(wěn)壓器是圖2所示的降壓穩(wěn)壓器，輸入電壓與LED電壓之間的壓差對(duì)電感L充電，電流隨之增加，當(dāng)電流達(dá)到預(yù)設(shè)的值時(shí)，控制電路將串聯(lián)的晶體管關(guān)閉，在LED通路形成一個(gè)交變電流。注意，在LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，開關(guān)穩(wěn)壓電路控制電流的峰值。 　　這個(gè)值由可編程IC或外部元件來設(shè)定。電流值也由FET開關(guān)漏極上檢測(cè)電阻來定義。降壓穩(wěn)壓器流過LED的電流是連續(xù)的，但是交變的，而對(duì)電源而言是不連續(xù)的，這對(duì)電源工作會(huì)產(chǎn)生一定的影響，也增加了電源線上的噪聲。 圖3 升壓型開關(guān)穩(wěn)流電路 　　如果電源電壓低于所有LED串聯(lián)電壓和，就要選用升壓穩(wěn)壓器。升壓穩(wěn)壓器(圖3)既要控制電流，又要控制電壓，電路相對(duì)復(fù)雜些。升壓穩(wěn)壓器在大電流情況下同樣存在嚴(yán)重的干擾問題。因而最穩(wěn)定又最安全的LED驅(qū)動(dòng)器可采用升壓與降壓相結(jié)合的形式。一個(gè)升壓穩(wěn)壓器可驅(qū)動(dòng)幾個(gè)并聯(lián)的降壓穩(wěn)壓器。這樣，面對(duì)電源的是性能良好的升壓穩(wěn)壓器，而在負(fù)載端則是高電流輸出的降壓穩(wěn)壓器。 　　所有開關(guān)電源都會(huì)產(chǎn)生噪聲，電壓型穩(wěn)壓器可以提高工作頻率，在輸出端用大電容來濾波，LED電源是穩(wěn)流型的，降低噪聲就得采取如下措施： 　　·降低工作頻率。 　　·開關(guān)晶體管應(yīng)用放置在電路板的中心區(qū)域。 　　·快速恢復(fù)二極管。 　　·LED區(qū)不要形成電流環(huán)路。 　　·縮短電纜和印制電路板上走線。 圖4 MLX10803應(yīng)用實(shí)例 　　除了上述措施，新的方案也有助降低驅(qū)動(dòng)電源的噪聲。Melexis公司的MLX10801和MLX10803LED驅(qū)動(dòng)器采用偽隨機(jī)開關(guān)頻率發(fā)生器來降低電氣噪聲。圖4是低噪聲應(yīng)用的電 路實(shí)例，它符合CISPR25的5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，這里CISPR是國際無線電干擾特別委員法文的縮寫。工作電感L1應(yīng)根據(jù)開關(guān)頻率和LED電流來確定。為了方便用戶設(shè)計(jì)，公司還提供了一個(gè)軟件和Excel表格，用來選取ROSC、RSET和RSENSE。 　　對(duì)圖4電路，開關(guān)頻率應(yīng)低于150KHz，若LED電流在0.5-1A之間，L1與L2為100H。噪聲是寬帶的，因而濾波電容采用大、小相結(jié)合的方案。二極管D1是高頻噪聲的主要來源，應(yīng)仔細(xì)選擇，在電源電壓低于100V時(shí)，可使用肖特基二級(jí)管。 　　GaAs與GaAsPLED的光輸出強(qiáng)度與結(jié)溫密切相關(guān)，例如LED在25℃輸出100%的話，在80℃時(shí)只有80%。驅(qū)動(dòng)器設(shè)置了溫度斜度補(bǔ)償電路，實(shí)際上一個(gè)PTC或NTC電阻便可解決問題，利用PTC的溫度系數(shù)來平衡LED的光輸出。為了保護(hù)LED，在溫度高于80℃，可以在器件的輸入端增加一個(gè) NTC電阻。