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欧宝平台登录:LED在汽车中的应用及其驱动电路的设计
更新日期:2022-04-22 00:45:31 来源:欧宝足球直播 作者:欧宝直播足球直播

  LED是一种高效环保的新型半导体光源,有其它光源无法比拟的优势。在未来汽车照明应用中前景光明。LED 可以用串联、并联等不同的方式组合成LED 阵列,以满足汽车照明强度的要求。针对LED 的发光特性,重点讨论了LED 驱动的设计及特点,同时简述了LED 目前存在的问题及解决方法。

  目前,汽车日趋平民化,已成为主要交通工具,行车安全引起了社会广泛的关注。据不完全统计,汽车在夜晚或自然光线不足的情况下行驶的里程占总行驶里程的25%,而在此间发生的交通事故占到总事故的40%,并且一半以上的伤亡事故发生在夜间。因此,车外照明灯及信号灯是汽车安全行驶的关键部件,必须满足下列条件:

  (2)照明亮度强,在夜间或自然光线不足的情况下提高驾驶员的视野,同时使车外信号灯的指示作用更强。

  LED 是特殊的二极管,是一种通过掺杂等手段形成PN 结的半导体器件。当满足二极管导通条件时,电流流过LED,以光和热的形式释放出能量。LED 是电流控制的电流型元件,其发光强度主要依据通过的电流大小,正向导通时,其压降非常高,而且本身具有一定的波动范围。

  由于LED 没有红外线及紫外线的辐射,其消耗的能量除转换为光能外,几乎都是热能,且只能以热传导的形式传出,因此,LED 在工作时,结温会逐渐升高。而LED 是具有负温度系数的器件,流过LED 的电流会随温度升高而增大,这就形成了正反馈,造成结温的进一步升高,如不加控制,就会烧毁LED。LED 的热学参数与PN 结的结温有很大关系,主波长与温度的关系如下式:

  由上式可知,每当LED 结温升高10℃时,主波长 ( 人眼能够观察到的) 就会向长波漂移1nm(1nm=10-9m),导致LED 亮度下降,出现光衰。因此, 个别LED 过热,就会造成LED 阵列发光的均匀性变差。

  LED 被称为新光源,原因在于LED 具备点光源与固态光源的特性,因此具有其它照明光源无法比拟的优点。

  (1)LED 寿命理论上可达10 万小时, 实际寿命也可达到2 万小时以上,比一般白炙灯泡的1 000 小时、日光灯具的1 万小时更具优势,在汽车使用寿命期间一般无须更换。

  (2)点亮无延迟,响应时间更快。LED 的启动时间仅为几十纳秒,启动时间较白炽灯泡大大缩短。

  (3)在光线亮度高、自然光线可见度低的情况下,大大降低汽车事故发生率;基本上无辐射,属于“绿色光源”。

  (4)LED 占用体积小, 结构简单,高耐震,设计者可以随意变换灯具模式,令汽车造型多样化,满足不同消费者需求。

  (5)LED 光源受电压变化的影响远远小于白炽灯泡,显示了卓越的安全性和可靠性,同时消耗的能量较同光效的白炽灯减少80%,非常节能。

  基于上述优势,LED 可以在汽车照明中广泛应用,但单个LED 无法满足汽车照明强度的要求,必须多个串联、并联或串并联成LED 阵列使用,如图1 所示。

  LED 驱动方式可采用电阻限流、线性稳压器和开关型变换器3 类。电阻限流方案适用于效率低的应用场合,所以对效率要求极高,输入电压范围宽的汽车照明上不采用此方法;线性稳压器适应于低电流或LED 正向压降稍低于电源电压的场合,但同样存在效率和输入电压范围小的问题;开关型变换器具有电路拓扑灵活、效率高和输入电压宽的特性。因此,综合考虑工作效率、安装尺寸、静态电流、工作电压、噪声和输出调节等因素后,驱动电路多采用开关型变换器。开关变换器拓扑结构分为Buck、Boost 及Buck-Boos 等方式。目前来看,LED 应用在汽车照明上,其驱动电源必然是铅酸蓄电池。

  因为蓄电池的输入电压范围会与正常的范围有很大的出入,因此驱动电路一般用Buck-Boost 拓扑结构满足LED阵列对电压要求。此电路拓扑结构直流增益 (输出电压与输入电压之比)与占空比D(一个开关周期内,开通时间与周期的比值)有关。当电池电压低于LED 所需电压时,调节D > 0.5,使电路处于升压状态;当电池电压高于LED 所需电压时,调节D < 0.5,使电路处于降压状态。LED 是电流控制的电流型元件,亮度与流过的电流成正比。如果LED 不是恒流驱动,通过的电流波动时,即使电压恒定也会造成LED 的亮度变化。为保证亮度稳定可靠,LED 需要恒定的电流来驱动,而且还需要在任何情况下都能将纹波电流控制在可接受的水平。所以,LED 驱动电路的输出必须是恒流输出而非恒压输出。

  图2 可知,Buck-Boost 电路将蓄电池电能变换后对LED 阵列供电,采样电路对流过LED 的电流采样,将信号传到控制电路。控制电路分析采样信息,调节Buck-Boost 电路中开关管的占空比,保证通过LED 电流恒定;当电路出现异常时,通过控制保护电路切断电源,保证LED 不受损害。一般情况下,LED 驱动电路必须满足下列要求:

  (1)升降压功能。当输入电压或LED 本身压降波动时,调节输出电压,满足输出电流恒定的要求,保证LED 发光稳定可靠。

  (2)高功率转换效率。以降低驱动损耗,节省成本,同时减少蓄电池充电次数,延长电池使用寿命。

  (3)亮度调节功能。周围环境很暗时,信号灯往往不需最大电流驱动,此时可控制驱动电流而改变LED的亮度,进而降低LED 的耗电量。调节驱动电流常用的方法是利用PWM 信号控制。

  (4)具有完善的保护电路。应设置各种保护措施,用以保护自身和LED 可靠工作。例如,低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或短路保护等。

  (5)良好的散热功能。由LED 的热学特性可知,温度是影响LED 工作的重要因素之一。在夜晚行车时,LED 处于长时间点亮状态,因此,必须有良好的散热功能,保证LED 的寿命及工作可靠。

  理论上LED 都是发光二极管,但是由于材料的纯度、工艺和封装的差异(即使是同一厂家也难避免),实际LED 阵列中单个LED 的性能是有差异的。这将导致LED的发光强度与驱动电流不完全相同,耐过电流能力和发热的差异也就自然而然的不同了。因为LED 的差异总有一个最先损坏,会使电流增大而损坏其他的LED。这就是不一致性带的结果,也是制约其发展的因素之一。因此, 制造商应提高LED 质量,避免较大差异,同时设计驱动电路时应设计相应的保护电路,防止上述现象发生。

  首先,在电压匹配方面,LED 不像普通白炽灯泡,可以直接连接220V 的交流市电。LED 是3.6 ~ 4.5V 的低电压驱动,必须要设计复杂的变换电路。其次,在驱动电流方面,为了保证LED 正常工作,要恒流、恒压电路供电,另加保护电路。这样电源电路复杂性和故障率都将升高,从而大大地限制了市场的竞争力与购买群体。

  因此,设计时尽量采用专用驱动芯片,以简化驱动电路结构,增强系统工作的稳定性。例如,FAN5608 系列、CAT4201、LT3754 等芯片,在LED 驱动方面效果良好。

  一部车若把照明全部换成LED,内、外部大约各需用掉200 ~ 300 颗LED,和其他照明光源相比,成本显得相当高。尽管寿命长的优势能弥补其成本高昂的劣势,但是从总体上来看,其成本仍大大高于其他光源。这是目前LED性能突出但没有占据大量市场份额的主要原因。

  但是各国政府对LED 技术十分重视,每年投入大量资金进行研究,相信这个问题在不远的将来必会圆满解决。

  由于LED 成本较高,驱动技术比较复杂,现在还没有全面广泛地进入汽车市场。我国已经规定,凡是上高速公路的汽车必须装设LED 雾灯。未来,随着LED 价格逐渐下降,其车灯模块必将逐步使用高亮度LED 作为光源。自从奥迪第一款加装LED 前灯的车型R8 上市以来,国际上如凯迪拉克、宝马、丰田、奔驰和福特等知名汽车公司都纷纷推出配有五彩缤纷的LED 灯具的新款轿车以吸引顾客。随着汽车工业的不断发展,LED 必将在未来几年内广泛应用在汽车市场。整体看,汽车用灯LED化是车灯发展的一个大趋势,必将是汽车照明系统发展史上的一次飞跃。

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