汽车应用的高亮度LED驱动电路设计

导读：对汽车应用来说，LED有极大的吸引力，具有长寿命、抗震、高效、对光源良好的控制能力等优势。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。
　　　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。
　　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。
　　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。

　　图1 简单稳流电路
　　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。
　　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事实上的影响，也增加了电源线上的噪声。

　　图2 降压型开关稳流电路
　　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。

　　图3 升压型开关稳流电路
　　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。
　　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MLX10803 LED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100?H.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，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GaAs PLED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。

　　图4 MLX10803应用实例

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潘福乔

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