LED在汽车中的应用及其驱动电路的设计

2.3LED驱动的设计及特点
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。

可以设计LED 驱动电路原理图如图2 所示。

图2 LED 驱动原理图

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。

3 LED 的缺陷及解决方法

3.1 不一致性带来的问题
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。

3.2 驱动电路复杂的问题
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。

3.3 LED 的成本问题
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。

4 结束语

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。