LED汽車前照燈驅動電路設計與仿真

摘要：隨著大功率LED性價比的提高，輸出光流量的增加，使LED應用在汽車前照燈成為可能。在輸入電壓在10～14 V之間變化，負載采用8顆700 mA大功率白光LED的條件下確定驅動方式、拓撲結構和調光方式，設計一種基于LTC3783芯片PWM控制LED亮度的恒流LED汽車前照燈驅動電路，并用LTspiceIV軟件對電路進行了仿真。結果表明，輸入電壓在10～14 V變化時輸出電流為一個710 mA均值，有0．7％紋波的電流，電流精度為2．1％，輸出電壓為28．6 V，輸出功率為20 W，電路轉換效率為91％。有PWM信號輸入時，電路輸出一個與PWM信號相同占空比的電流。通過調節(jié)PWM信號的占空比實現(xiàn)LED亮度的控制。
關鍵詞：汽車前照燈：大功率LED；脈寬調制：LTSPiceIV

0 引言
有統(tǒng)計表明，90％的交通事故是由于人的因素造成的，危險來源于復雜的交通狀況，包括不合理信息、缺少信息以及過度緊張等。為了有效地減少盲區(qū)，避免眩光，提高夜間行車的安全性，一些著名汽車公司提出了先進前照燈系統(tǒng)或自適應前照系統(tǒng)(AFS)的概念，其特點是車輛前燈能主動調整照明光軸方向，自動適應夜間行車環(huán)境(包括迎面車輛、彎道坡度、高速公路、城市街區(qū)等情況)的變化。近年來，高亮度LED的發(fā)展很快，汽車前照系統(tǒng)中采用高亮度或超高亮度LED將是一種發(fā)展趨勢。目前，已有1 201 m超高亮度LED的報道，8個超高亮度LED就能產(chǎn)生10 001 m的光強。LED光源除了顯而易見的壽命長，結構堅固，功耗低等優(yōu)點外，其固有的體積小，設計更靈便，反應快，控制更容易等特點，使它在汽車自適應前照系統(tǒng)中的應用有較大的潛在優(yōu)勢。
汽車電氣是酸鉛蓄電池供電的，典型值為12 V，但實際電壓在12 V左右不斷變化。如何利用電壓值低且不斷變化的汽車電源設計一種電流精度高，亮度可調，低功耗的驅動電路是制造LED汽車前照燈的關鍵技術。本文在輸入電壓為汽車電源電壓，負載采用8顆700 mA大功率白光LED的條件下設計一種基于LTC3783芯片PWM控制LED亮度的恒流LED汽車前照燈驅動電路，輸出電流穩(wěn)定、精度高、電路轉換效率高。

1 LED發(fā)光特性及驅動類型的選擇
1．1 LED發(fā)光特性
由于LED本質上就是能發(fā)光的二極管，只不過門檻電壓和導通壓降要更大，它的動態(tài)阻抗相對較小，較小的電壓變化就能導致較大的電流變化，其工作電流與導通壓降呈指數(shù)式的變化規(guī)律，如下式所示：

式中：Is為反向飽和電流；If為正向工作電流，指LED正常發(fā)光時的正向電流值。
LED是電流型器件，發(fā)光亮度與工作電流有關，。其中：m近似等于1；K為比例系數(shù)。當電流增大時，發(fā)光亮度呈正比增大。為保持同等的光輸出，LED驅動電源應該控制通過LED的電流大小不變，即用恒流源驅動LED。
該設計中的負載采用8個Luxeon公司型號為LXML-PWC1-0120的LED串聯(lián)。LED規(guī)格參數(shù)如表1所示。

1．2 驅動類型的選擇
1．2．1 驅動方式
LED驅動方式可分為恒壓源驅動和恒流源驅動。恒壓源驅動的負載一般采用LED多支路并聯(lián)，每個支路都要串連一個有一定阻值的鎮(zhèn)流電阻，要求高電流輸出時，電路的轉化效率較低。由于LED是電流型器件，即使電壓發(fā)生微小的變化也可引起電流的大幅度變動，恒壓源驅動將影響到LED的發(fā)光質量和穩(wěn)定性；恒流源驅動能控制輸出電流穩(wěn)定，LED發(fā)光質量好，一般采用串聯(lián)連接，只有一個小阻值的檢測電阻，效率相對較高，適用于汽車前照燈LED驅動上。恒流源串聯(lián)驅動時，一般每個LED并聯(lián)一個穩(wěn)壓管，防止某個LED燒壞導致整個電路開路。
1．2．2 拓撲結構
LED驅動電路可分為線性穩(wěn)壓器電路和開關型變換器電路。線性穩(wěn)壓驅動電路雖然比較簡單，但是在芯片和限流電阻上的功耗比較大，效率非常低。開關型變換器驅動又分為電荷泵驅動和電感式驅動。電荷泵驅動器是利用電容將電流從輸入端傳到輸出端，整個方案不需要電感，具有體積小，設計簡單的優(yōu)點，但它只能提供有限的輸出電壓范圍，不適用于多個大功率LED串聯(lián)。所以設計中采用了電感式升壓驅動。在圖1電路中，當MOSFET管M1導通時，電感電流增加，開始儲能，LED開始發(fā)光，續(xù)流二極管由于承受反向電壓關閉。當MOSFET管M1關斷時，電感電流減少，開始釋放能量，通過肖特基二極管續(xù)流。
1．2．3 調光方式
在汽車前照燈系統(tǒng)中，通過控制LED的亮度可以實現(xiàn)近光和遠光的轉換，而在自適應前照燈系統(tǒng)中調節(jié)LED亮度配合LED陣列不同位置LED的亮滅可實現(xiàn)照射光束不同的照明距離和偏轉角度，適應不同的路況信息。當輸入電壓值有波動時，LED的電流也隨著波動，通過電流反饋，可以進行調光控制保證流過LED的電流不變。另外LED亮度調節(jié)還可以應用在熱調節(jié)電路上，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的體積大的散熱片裝置。能夠準確，高效地實現(xiàn)LED調光也是驅動電路考慮的重要因素之一。

通常情況下，可采用外部SET電阻、線性調節(jié)和PWM調節(jié)等技術來控制LED的亮度。在LED驅動器外部使用SET電阻的方式缺乏靈活性，無法進行動態(tài)調節(jié)。線性調節(jié)可動態(tài)控制LED的亮度，但會降低LED的效率，并引起白光LED朝向黃色光譜的色彩偏移。相比較而言，PWM調節(jié)技術的優(yōu)勢十分明顯，當PWM脈沖為有效高電平或低電平時，LED輸入電流分別為最大或0，其導通時間受控于PWM引腳輸入脈沖的占空比。由于LED始終工作于相同的電流條件下，通過施加一個PWM信號來控制LED亮度的做法，可以在不改變顏色的情況下實現(xiàn)對LED亮度的動態(tài)調節(jié)。
為保證PWM調光不被人眼察覺，PWM調光頻率一般要大于100 Hz，但過高的頻率會增加MOSFET的動態(tài)損耗。該設計中取PWM調光頻率為120 Hz。