详解高亮度LED驱动电路在汽车中的应用

近年来，高亮度LED应用发展神速，特别是在指示牌、交通信号灯方面。而对汽车应用来说，LED亦有极大的吸引力，长寿命、抗震、高效、对光源良好的控制能力，都是它的优势。当然，相对于白炽灯，LED需要驱动电路，还有汽车电气是靠酸铅蓄电池供电的，是机械驱动的交流发电机充电，这类电池适合白炽灯，不适用LED，因此，设计一种稳压性能良好而又低噪声的驱动电路是十分必要的。 　　理论上，LED光输出与驱动电流有关，而与电源电压无关。最对低要求应用，如果电源电压稳定的话，一个电阻就可限制电流。值得注意的是，对这种最简单的应用电路，LED在一定程度上显示出自稳定特性。亦即，若温度升高的话，LED的光输出减少，但同时其正向压降亦降低，使驱动电流增加，从而补偿了较高温度下光输出的减少。 　　遗憾的是，汽车电源的变化范围是很大的，在8V-18V之间，峰值电压可达几十伏。此外，高亮度LED驱动电流大，会在电阻上产生大量的热量，使散热设计复杂化。 图1 简单稳流电路 　　相对简单的方案是使用线性降压稳压器(图1)，D1是一个稳压二极管，通过LED的电流设定为VD1/RSET。D2对基极二极管进行湿度补偿。这个电路仍然存在能量损失问题和电阻散热问题。对于低电流LED，尤其是串联后的LED正向压降和稍低于电源电压的场合，这个电路不失为经济有效的方案。 　　在多数场合，开关电源提供一种更佳的电气解决方案。顾名思义，开关电源是开关工作的，在一个周期，对RLC电路充电;在下一个周期，存储的能量用来驱动负载。这类电路效率极高，一般都能达到90%以上，开关稳压器能提升电压，降低电压，还能产生极性相反的电压，这是线性稳压器所不具备的。 图2 降压型开关稳流电路 　　最简单的开关稳压器是图2所示的降压稳压器，输入电压与LED电压之间的压差对电感L充电，电流随之增加，当电流达到预设的值时，控制电路将串联的晶体管关闭，在LED通路形成一个交变电流。注意，在LED驱动应用中，开关稳压电路控制电流的峰值。 　　这个值由可编程IC或外部元件来设定。电流值也由FET开关漏极上检测电阻来定义。降压稳压器流过LED的电流是连续的，但是交变的，而对电源而言是不连续的，这对电源工作会产生一定的影响，也增加了电源线上的噪声。 图3 升压型开关稳流电路 　　如果电源电压低于所有LED串联电压和，就要选用升压稳压器。升压稳压器(图3)既要控制电流，又要控制电压，电路相对复杂些。升压稳压器在大电流情况下同样存在严重的干扰问题。因而最稳定又最安全的LED驱动器可采用升压与降压相结合的形式。一个升压稳压器可驱动几个并联的降压稳压器。这样，面对电源的是性能良好的升压稳压器，而在负载端则是高电流输出的降压稳压器。 　　所有开关电源都会产生噪声，电压型稳压器可以提高工作频率，在输出端用大电容来滤波，LED电源是稳流型的，降低噪声就得采取如下措施： 　　·降低工作频率。 　　·开关晶体管应用放置在电路板的中心区域。 　　·快速恢复二极管。 　　·LED区不要形成电流环路。 　　·缩短电缆和印制电路板上走线。 图4 MLX10803应用实例 　　除了上述措施，新的方案也有助降低驱动电源的噪声。Melexis公司的MLX10801和MLX10803LED驱动器采用伪随机开关频率发生器来降低电气噪声。图4是低噪声应用的电 路实例，它符合CISPR25的5级标准，这里CISPR是国际无线电干扰特别委员法文的缩写。工作电感L1应根据开关频率和LED电流来确定。为了方便用户设计，公司还提供了一个软件和Excel表格，用来选取ROSC、RSET和RSENSE。 　　对图4电路，开关频率应低于150KHz，若LED电流在0.5-1A之间，L1与L2为100H。噪声是宽带的，因而滤波电容采用大、小相结合的方案。二极管D1是高频噪声的主要来源，应仔细选择，在电源电压低于100V时，可使用肖特基二级管。 　　GaAs与GaAsPLED的光输出强度与结温密切相关，例如LED在25℃输出100%的话，在80℃时只有80%。驱动器设置了温度斜度补偿电路，实际上一个PTC或NTC电阻便可解决问题，利用PTC的温度系数来平衡LED的光输出。为了保护LED，在温度高于80℃，可以在器件的输入端增加一个 NTC电阻。