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汽车LED照明方案设计
  发光二极管(led)照明为标新立异、舒适和用户定制开启了一片新天地。这些规划机会在迅速提高LED在车内的使用程度和速度。当把LED用在车内、车前和车尾照明时,有几种办法和规划技能可供挑选。
  对车用LED来说,其相对立振、寿命长、高能效及能够对光源进行精妙操控等特性是关键要素。与白炽灯泡比较,LED对机械震动不敏感,但需求驱动电路。一般来说,轿车电气供电系统以铅酸电池为电源,该电池由引擎经过机械办法驱动的交流发电机/稳压器充电。这样一个系统适宜老式白炽灯泡,但不适宜LED。为使LED到达最佳功用,需一个精准恒流的电流源。
汽车LED照明方案设计
  为正确驱动LED,需操控电流,而与电压无关。光输出根本取决于电流而不是电压。理论上,每个电子都转化为光子,而逃逸出LED的固定比例的光子就成为咱们看见的光。
  若电压安稳,则只需一个电阻就可完成一个质量不高的计划。应该指出的是,当LED与电阻简略串接在一起时,LED本身在一定程度上是自调节的。若温度升高,LED的功率和亮度都下降,且前向压降一起减小。减小的前向压降又导致电流添加,从而些许弥补了因温升形成的亮度下降。只要电池电压安稳,串联电阻计划足以满意计算机和仪器仪表使用的要求。但轿车行业强制规定设备要能满意电池在8V至18V间的改动,且还要能忍受80V的峰值。别的,高亮LED会在电阻上发生大量热。因此使得热规划更困难。
  一个好些但并非最佳的替代计划是选用一个dc-dc电压转化器来生成一个适宜的安稳电压然后将此与一个电阻结合起来。若你已有一个为计算机或其它电子设备供电的dc-dc转化器,则该计划可行;别的,这种办法可能是驱动LED最常用的办法。
  但选用一个作业时与电压无关的恒流器驱动LED是个更好计划。能量消耗和能量转化别离是两种根本的恒流器类型。
  线性降压恒流器是能量消耗型恒流器的一个比如。对一个给定电流来说,恒流器两头压降所代表的能耗被消耗掉。另一种状况则是能量转化恒流器,它试图把不同电平间的能量差贮存起来。
  描绘这种能量转化所用的方程是热力学根本定律之一:
  输入功率=输出功率
  用W=V·I给定(给定),替换式中的W:
  Vin·Iin=Vout·Iout+(100-X%功率)W发热(发热)
  若将LED的前向电压作为Vout,将所需的电流作为Iout,就将得到描绘LED驱动器的一般方程。
  耗能的LED驱动器
  用分立器材建立一个线性恒流器相对简略。图1便是一款用分立器材建立的恒流器。D1应是支齐纳二极管或电压参阅。电流则由方程ILED=VD1/RSET确认。D2供给对晶体管基极二极管的简略温度补偿。
  虽然该电路简略,但与所有耗能LED驱动器相同,都存在能量消耗和由电阻发生的发热问题。随着LED亮度的添加,发热会越来越严峻。LED点的越亮,糟蹋的能量越多。
  在电流较小、且串在一起的LED前向电压的总和略低于电源电压时,这种类型的稳流办法能够用。有几家LED驱动器IC厂商选用的便是这种恒流办法。但在驱动高亮度LED时,不主张选用该办法。
  省量的LED驱动器
  在许多状况,开关恒流器能供给一个更好的电子计划。开关恒流器操控一个串接负载的通/断,它也因此得名。在一个周期内,RLC(槽电路)电路被充电。在下一个周期,该贮存的能量被用于驱动负载或用于加高驱动负载的能量中枢的电压水平。这种能量组织一般可完成高于80%的功率,在大多状况还可到达90%以上。所以,开关恒流器可被用于升高电压、下降电压甚或回转电压。而线性恒流器就不具有这些才能。
  作业描绘:输入电压和LED电压之间的压差,给线圈L充电。当在线圈中积聚起能量后,高于其的电压将下降而电流随之添加。当电流到达一个规定值时,操控电路将顺序关断晶体管。然后在一定的关断时刻内,线圈内的部分能量将给LED供电。这样就在LED上有交迭电流流过。开关恒流器电路操控电流的峰值。可经过编程恒流器IC或外部器材设定该值。电流还取决于坐落NFET开关漏极端感应电阻的挑选。
  在降压恒流器使用中,流过LED的电流是接连的,但却是交迭的。而整个电路的能耗却是不接连的(图2)。它可在电源输入侧引发问题并经过电源线轻易地引发噪声。
  升压调节器
  若电源电压低于悉数串接LED前向电压之和,则要选用升压恒流器。因升压恒流器除了要操控电流外,还要操控升高了的电压,所以,此类恒流器更杂乱。
  这种升压恒流器无法处理电源电压高于悉数串接LED前向电压之和的状况,发生这种状况时,电流会不受操控地急剧添加,如图3所示。
  这种LED驱动器还将发生流过LED的脉动电流。因流经LED的电流相对较大,所以,它难以被滤除去。原则上,简略升压恒流器会在输出至LED的电流上发生更大噪声。所以,在PCB布线时,要使驱动器与LED间的连线尽可能地短。
  SEPIC恒流器
  SEPIC恒流器是一种单端初级电感转化器。这种恒流器既可用作升压又可用作降压。但线圈间的容抗是其一个缺陷。该电容必须处理转化为适用于LED的电流和电压的悉数能量。
  当你根本上需求的是一款降压恒流器而在电源线上又可能有过压时,这种类型的恒流器就派上用场。
  升压/降压恒流器
  一个好的升压LED驱动器的最保险最安全的计划是以级联办法将一个升压恒流器和一个降压恒流器组合在一起。这种架构将优化所需的作业降至最少。一个升压恒流器更适宜为若干并联的降压恒流器供给电源。
  对下降噪声来说,这种作法仍是种成效显著的解决之道。它集升压恒流器优异的电压输出与降压恒流器相同优异的电流输出双美于一身。
  由高压驱动LED
  当电源电压很高,而LED的前向压降(Vf)与之比较要低10到20倍时,会呈现由对与LED串接在一起的线圈极短的充电时刻引发的问题。快速充电(和放电)将导致低功率。
  充放电周期,可容易地看出:上升时刻(频率)比恒流的根本频率高10到20倍。
  完成高效及下降辐射噪声的行之有效的办法之一是选取一个开关频率以使上升时刻与线圈的标准频率相当。当电压相差10到20倍时,应选取比线圈最高效频率低10到20倍的开关频率。
  但当电源电压是串联LED前向电压的两倍时,将会得到一个优化计划。被安稳的电流如图5所示,其间,波形相当对称。
  凭借其独立于电源电压的优势以及电源电压和LED电流间的高度绝缘,还能够将线圈用作变压器。它可替代升压和降压计划,但功率不高。在电感初级和次级绕组间的强磁耦合将提高功率。它具有如下优点:衔接LED的任何导线都可短接至地或电源,而不会发生任何风险电流。
  开关恒流器发生的电噪
  所有的开关恒流器都发生噪声。通用的靠操控电压水平的dc-dc电压稳压器可得到滤波后作用很好的电源。这是经过加在输出端很大的电容器和加速开关频率以提高功率完成的。LED恒流器应选用恒流而非稳压的办法。
  早先提到的降压恒流器是一种简略并具成本效益的恒流器,但若物理完成组织的不好,将在LED使用中发生严峻的电噪声。PCB布线和所选电缆对操控噪声水平至关重要。
  下降噪声的一般规矩:
  1.下降开关频率。
  2.连至LED的导线尽量短、电流环尽量小。
  3.若衔接LED需求长导线,应加装滤噪器。
  4.选用高速反应二极管。
  5.将开关晶体管放在PCB中央。
  6.细心挑选电源线所用的电缆及加装的滤噪器。
  除这些一般规矩外,MELexis还采纳办法协助操控驱动器IC的噪声。在MLX10801和MLX10803驱动器内,将一个伪随机数发生器用于开关频率以将电噪声最小化。
  在轿车电子环境下,有若干测验和测验步骤以评价电子模块的相对噪声目标。一个遍及选用的标准和测验步骤是由国际电工委员会(IEC)的分支机构国际无线电干扰专业委员会(CISPR)定义的。
  图6是一个可满意CISPR25第5级要求低噪使用的简略原理图。线圈L1的形状巨细必须依据开关频率和LED电流确认。为完成这点,咱们可使用能从www.melexis.com上下载的软件程序和Excel表格。开关频率应低于150kHz以躲避CISPR25约好的最低频率带的要求。程序还供给了ROSC、RSET和RSENSE值。L2是一个滤噪器的一部分,当要经过最高等级的降噪要求时,需求该滤噪器。对CISPR25等级1到3来说,可不必线圈L2。
  当在图6中运用该电路时,对典型的0.5~1A的LED电流来说,选L1和L2为100μH是个好主意。因噪声的谱域很宽,所以,电容器应能一起处理高频和低频。这便是为什么咱们在线圈L2滤波器的两头都放置两组电容的原因。反应二极管D1是高频噪声的主要来历。应细心挑选该二极管,并在使用中反复测验。对输入电压低于100V来说,肖特基二极管是最好的挑选。
  在Melexis的网站论坛“知识库”内,可找到更多关于怎么进行优化计划规划的信息和协助。
  LED的温度补偿
  依据结温度的不同,红和黄色的砷化镓(GaAs)和磷砷化镓(GaAsP)LED的光输出有很大改动。典型状况,在25°C时,100%光输出的LED,在80°C时,光输出将只要40%。可容易地对这种光输出改动施行补偿。改进后的低噪规划计划,只需添加一个PTC和NTC电阻。
  如图8中所示,运用温度补偿PTC和NTC电阻,在80°C时的相对光输出可完成最大。若无论何种原因,结温度低于80°C,PTC电阻将变成一个相对低的值并成比例地减小电流。这样,就需对PTC系数和LED光输出进行平衡。
  为供给维护,当温度高于80°C时,坐落MLX10803另一个参阅输入端的NTC电阻将以相同的办法下降电流。
  刹车、转向和尾灯的LED使用
  现在,简直悉数轿车都选用红色GaAsLED尾灯。但,大多LED尾灯在寒冷的夜晚太过刺眼,而在闷热明亮的场合又过于暗淡。多年前,就已基于白炽灯制订了操控轿车照明的法定标准。白炽灯作业在几千度的灯丝遇热发光条件下。所以,环境温度即使相差60°C(在20到80°C间),其光输出方面的不同也根本上察觉不到。现在,在寒天,LED尾灯和白炽灯尾灯的亮度不同清楚明了。对LED在寒天里是否过亮尚存疑问。先前描绘的温度补偿办法将使轿车有一个更专业、更精美的照明表现,且当与白炽灯结合起来运用时,看起来作用会更好。对标准组织来说,这种状况或许会成为一个需解决的议题,这些组织需求为作业在不同温度下的照明灯建立参阅标准。
  在将刹车和尾灯功用结合起来的使用中,使用脉宽调制(PWM)发生两级照明:一级作为尾灯,另一级作为刹车灯。这是由于LED制造商一般只用一个电流值(用于发生刹车灯作用的驱动电流值)对其LED进行测验和分类。曩昔,没有用于尾灯那种低亮度输出的测验和分类。幸运地是,这种状况在改动,LUMILEDs现就对LED进行两种电流水平的测验。
  这很重要,因若LED可匹配两种电流水平,则司机可别离交替驱动两个特定电流水平,无需凭借PWM,那么,也就不再需求PWM了。用PWM办法驱动的LED尾灯,当PWM比率从1:10到1:20且频率从80Hz到100Hz时,与传统的白炽灯比较,其发出的光看起来很不舒服。这些由于人眼对红光和这些频率的敏感性。在寒冷环境和因寒冷环境使电流补偿不到位时,这种状况会更严峻。
  本文小结
  为完成更精美的轿车LED照明使用,已发展出若干基于特定场合的IC和使用电路。在前述的比如中,评论了怎么应对这些挑战。为成功研制出完全用于特定使用的照明模块,需求进行比在此提及的各办法更多的精雕细凿。上述的一般评论应有助于照明工程完成中对各种限制要素的更好掌握,凭借这种掌握,可用现在的高亮LED规划出更可靠、更爽心悦目的照明计划。