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0431-81702023
LED
L ED 驱动电路及在车用光源设计中的应用

摘  要 : L ED 是一种新型半导体光源 ,具有能耗低、寿命长、响应时间短的优点。L ED 光源驱动电路复杂 ,使得 L ED 在工业领域中的应用受到限制。从 L ED 的发展和特点出发 ,结合 L ED 的恒流发光特性 ,考虑工业产品中电源电压低的 因素 ,设计 L ED 驱动电路 ,通过试验进行分析和优化 ,在保证光源亮度的同时降低了光源的能耗 ,将其应用于车用光源 的设计当中。 

关键词 : L ED ;  驱动电路 ;  汽车 

Abstract : L ED is a kind of new lamp2house , which may save energy. It has a very long2life and a short respond time. The design of L ED drive circuit is very complex , so it’s use was limited. In this paper , from the development of L ED technology and considering the factor of constant current when it light and low voltage of electrical source , designing drive circuit , analyzing and optimizing through experimentation , it makes lamp2house need low energy without influence of brightness and uses it in de2 signing automobile lamp2house. 

Key words : L ED ; drive circuit ; automobile

      随着社会的不断发展 ,对能源的需求越来越大 ,能源危机加重。节能已经成为衡量各项技术的关键指 标 ,寻找节能的方式势在必行。照明是人类消耗能源的重要方面 ,某媒体报道数据显示 ,使用固体光源 L ED 代替传统的白炽灯照明 ,将节约全球照明能耗的 50 %以上。由此可知 ,在未来的电子技术领域 ,高亮度的 L ED 作为户外指示和照明将成为又一大电子主题。从 L ED 自身的特点及材料、工艺发展出发 ,着重讨论了 L ED 的驱动电路设计 ,并将其应用于汽车信号光源的研制与开发当中。 

1 L ED 的发展现状及特点分析

      L ED 是一种新型的半导体光源 ,自 20 世纪 90 年代 GaAl InP 和 GaAl InN 发光二极管的出现 ,使 L ED 的 发光效率和发光强度有了突破性的发展 ,高亮度白色及蓝色 L ED 已经出现。发光效率 20 lm/ W 以上的白 色 L ED 的开发 ,将作为新世纪引人注目的节能照明光源[1 ] 。进入 21 世纪 ,随着材料技术、封装技术及自身 工艺的发展 ,单只的 L ED 的光通量可以达到几十流明 ,红、橙色的 L ED 光效率可以达到 100 lm/ W ,绿色的 L ED 也可达到 50 lm/ W[2 ] ,光的强度已经超过了 1 cd (通常人们以 1 cd 作为一般 L ED 和高亮度 L ED 的分界 点) ,视角提高到了 60°。为其在各种照明系统中的应用 ,特别是作为交通信号源及小型产品的背光光源奠 定了基础。L ED 是一种低场型电致发光器件 ,工作电压低、发光亮度高、反应速度快、寿命长、耐恶劣环境、 工作性能可靠等优点 ,已经在汽车仪表中大量使用[3 ] 。可以设想 ,用 L ED 制造的车用光源 ,不但能够降低能 耗 ,延长车用光源的使用寿命 ,还能够有效的减小安全车距 ,减少不必要的交通安全事故。 

2 L ED 的驱动电路设计

       L ED 的亮度会随工作电流的增大而增大[4 ] ,为保证流过每只 L ED 的电流相同 (使每只 L ED 的亮度均 匀) ,就必须将 L ED 串联使用 ,串联使用使得 L ED 点阵所需电源电压高 ,一般小型产品电源(如手机) 电压比 较低 ,高电压电源要求使得 L ED 的应用受到了限制。即便是车用电源 ,尽管其电压保持在 12 V 左右 ,同样 不能满足驱动要求。合理的设计升压电路来驱动 L ED ,是 L ED 能够得到广泛应用的关键。L ED 亮度控制 及整个电路的保护电路设计 ,也是驱动电路设计中必须解决的问题。 

       设计驱动电路方框原理图如图 1 所示。振荡电路级产生一定频率方波信号 ,以控 制后级电子元件的关断或者提供脉宽及脉频调制以控制流过 L ED 的电流 ,图 1 中电 压提升级提升电源电压而增加带负载(L ED) 的能力并提供恒定的电流 ,提高 L ED 的 瞬时亮度 ,输出级由 L ED 点阵组成 ,完成最终光信号的输出。设计能够保证输出电路 电流的恒定型 ,也能够增加所带负载以满足 L ED 的实际应用。 

      试验中所用的 L ED 的封装为贴片式 ,其标称电压 2. 1 V ,可通过最大电流 175 mA , 其亮度(红色)可达 1 125~2 850 mcd ,视角可达 120°,光通量可达 5 lm。在试验电路中(见图 2) ,中间没有经过 电压提升。自激振荡级由 NE555 构成 ,该级输出一定频率的方波信号 ,关断和打开恒流源级三极管 ,在输出功 率不变的情况下提高 L ED 的瞬时亮度。设计振荡电路的输出电压占空比保持在 50 %为宜 ,频率应大于 100 Hz ,可以通过调整振荡电路中电阻和电容来设定 ,其输出电压的波形如图 3 所示。图 2 中 NPN2 管是为了增加 带负载的能力。恒流源电路使得电压在一定范围内波动的时候 ,流过 L ED 的电流不变。其试验数据如表 1 所 示。 

  表 1 试验数据表明 :电源电压在一定范围内波动 ,流过 L ED 的电流基本保持不变 ,能够保证 L ED 的亮 度的均匀性。在输出电压低的情况下 ,上述试验电路在实用电路中会导致驱动 L ED 的数量有限 ,为了增加 L ED 的数量 ,在 N E555 的方波信号之后 ,增加电压提升电路。在 L ED 驱动芯片的设计中 ,L T 系列驱动产品 和 max 系列驱动器走在了技术的前列 ,其产品均有较宽的电压输入范围 ,电压输出可调性好 ,封装小 ,温度 特性好等特点 ,能够很好的解决在设计电路时所用的电源电压过低的问题。下面从车用光源的驱动方面考 虑 ,选取 L T 系列产品中的 L T1618[5 ] 。 

      L T1618 的试验电路如图 4 所示 ,图 4 中 A 为 N E555 ,B 为 L T1618。N E555 典型多谐振荡电路的作用 是提 供 一 定 频 率 的 脉 冲 来 控 制 L T1618 的 工 作 , 输 出 电 压 V out 由 R3 和 R4 决 定 , 其 关 系 : R3 = R4 ( V out/ 1. 263 - 1) 。

 输出电流 Io (流过 L ED 的电流) 由 R6 决定 ,在确 定流过 L ED 的电流后 ,就可以方便的调整 R6 的阻值 来完成。其关系式为 : Io = 50/ R6。

     电路在实测中有稳定的输出电流 ,输入电压的波动引起输出电流和电压微小波动 ,实际测量值如表 2 所 示 ,表 2 中的数值是按照设计输出电压为 36 V ,输出电流为 70 mA 得出的。在试验当中发现 L ED 有闪烁的 现象 ,主要原因是多谐振荡电路的设计频率太低 ,改变其输出频率 ,闪烁现象也会随之消失。 

3  车用光源设计

      在试验电路的基础上 ,应用于汽车光源电路设计 ,取得了很好的效果。在图 4 的基础上将功率 MOS2 FET 负载开关电路添加在电源与振荡电路之间 ,可以避免电源的反接而造成后级电路的损坏。在输出级 , 每只 L ED 并联一只普通的二极管 ,能有效地避免因某一只 L ED 的损坏而造成整个 L ED 光源的损坏。 

      由于车用光源要求亮度高 ,所需 L ED 数量较多 ,散热问题必须解决。在设计印制板电路的时候 ,为了有 效地散热 ,防止热量的集中 ,将印制板电路设计为上下二层 ,下层专用于驱动 ,上层为 L ED 点阵电路 ,避免 L ED 的热量传递到驱动芯片而使其损坏。在完成车用信号光源的设计之后 ,经过连续长时间点亮后 ,发现 L ED 点阵印制板有热量过于集中导致某些 L ED 亮度变弱 , L ED 的散热问题有待于进一步解决。但在车用 信号灯的实际应用当中 ,不会连续长时间使用 ,因此该方案能够应用在汽车光源的设计中。 

  制作车用信号灯(尾灯) ,其输入波形(见图 5) 和经 过光传感器的光信号输出波形(见图 6) 。从图 5 和图 6 波形可以看出 :输出光信号为方波信号 ,使得在能耗相 同的情况下提高了 L ED 的瞬时亮度。设计车用信号灯 的亮度比原始车灯的亮度强的情况下 ,车用信号灯流过 L ED 的瞬时电流为 70 mA ,加在 L ED 两端的电压为 36 V ,可计算出光源消耗的功率为 2. 52 W ,与常用的白炽 灯 25 W相比 ,大幅度地降低了能耗。 

4  结  语 

      通过试验及实用电路分析 ,L ED 作为一种新型光源代替传统的白炽灯光源在技术上已经成熟。但是 , 从目前的 L ED 产品市场来看 ,高亮度的 L ED 的成本较高 ,汽车光源的亮度要求使得所需 L ED 的数量较多 , 无疑会提高车用光源的成本。现在只在少量进口豪华轿车上得到了应用 ,在国内轿车行业几乎处于空白。 但是 ,随着 L ED 产品自身的发展 ,工业用高亮度 L ED 数量的增加 ,L ED 产品价格会有很大的下降幅度 ,同时 L ED 的高性能逐渐为用户所接受 ,其长寿命、冷光特性减少了维护费用 ,L ED 光源必将成为汽车光源中的主 流产品。