《電子技術應用》
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汽車應用中高亮度LED驅動電路
摘要: 近年來,高亮度LED應用發展神速,特別是在指示牌、交通信號燈方面。而對汽車應用來說,LED亦有極大的吸引力,長壽命、抗震、高效、對光源良好的控制能力,都是它的優勢。當然,相對于白熾燈,LED需要驅動電路,還有汽車電氣是靠酸鉛蓄電池供電的,是機械驅動的交流發電機充電,這類電池適合白熾燈,不適用LED,因此,設計一種穩壓性能良好而又低噪聲的驅動電路是十分必要的。
Abstract:
Key words :

近年來,高亮度LED應用發展神速,特別是在指示牌、交通信號燈方面。而對汽車應用來說,LED亦有極大的吸引力,長壽命、抗震、高效、對光源良好的控制能力,都是它的優勢。當然,相對于白熾燈,LED需要驅動電路,還有汽車電氣是靠酸鉛蓄電池供電的,是機械驅動的交流發電機充電,這類電池適合白熾燈,不適用LED,因此,設計一種穩壓性能良好而又低噪聲的驅動電路是十分必要的。

理論上,LED光輸出與驅動電流有關,而與電源電壓無關。最對低要求應用,如果電源電壓穩定的話,一個電阻就可限制電流。值得注意的是,對這種最簡單的應用電路,LED在一定程度上顯示出自穩定特性。亦即,若溫度升高的話,LED的光輸出減少,但同時其正向壓降亦降低,使驅動電流增加,從而補償了較高溫度下光輸出的減少。

遺憾的是,汽車電源的變化范圍是很大的,在8V-18V之間,峰值電壓可達幾十伏。此外,高亮度LED驅動電流大,會在電阻上產生大量的熱量,使散熱設計復雜化。

相對簡單的方案是使用線性降壓穩壓器(圖1),D1是一個穩壓二極管,通過LED的電流設定為VD1/RSET。D2對基極二極管進行濕度補償。這個電路仍然存在能量損失問題和電阻散熱問題。對于低電流LED,尤其是串聯后的LED正向壓降和稍低于電源電壓的場合,這個電路不失為經濟有效的方案。

                                                                         圖1 簡單穩流電路

在多數場合,開關電源提供一種更佳的電氣解決方案。顧名思義,開關電源是開關工作的,在一個周期,對RLC電路充電;在下一個周期,存儲的能量用來驅動負載。這類電路效率極高,一般都能達到90%以上,開關穩壓器能提升電壓,降低電壓,還能產生極性相反的電壓,這是線性穩壓器所不具備的。

最簡單的開關穩壓器是圖2所示的降壓穩壓器,輸入電壓與LED電壓之間的壓差對電感L充電,電流隨之增加,當電流達到預設的值時,控制電路將串聯的晶體管關閉,在LED通路形成一個交變電流。注意,在LED驅動應用中,開關穩壓電路控制電流的峰值。

這個值由可編程IC或外部元件來設定。電流值也由FET開關漏極上檢測電阻來定義。降壓穩壓器流過LED的電流是連續的,但是交變的,而對電源而言是不連續的,這對電源工作會產生一定的影響,也增加了電源線上的噪聲。

                                                              圖2降壓型開關穩流電路
如果電源電壓低于所有LED串聯電壓和,就要選用升壓穩壓器。升壓穩壓器(圖3)既要控制電流,又要控制電壓,電路相對復雜些。升壓穩壓器在大電流情況下同樣存在嚴重的干擾問題。因而最穩定又最安全的LED驅動器可采用升壓與降壓相結合的形式。一個升壓穩壓器可驅動幾個并聯的降壓穩壓器。這樣,面對電源的是性能良好的升壓穩壓器,而在負載端則是高電流輸出的降壓穩壓器。

                                                                     圖3升壓型開關穩流電路

所有開關電源都會產生噪聲,電壓型穩壓器可以提高工作頻率,在輸出端用大電容來濾波,LED電源是穩流型的,降低噪聲就得采取如下措施:

  •降低工作頻率。
  •開關晶體管應用放置在電路板的中心區域。
  •快速恢復二極管。
  •LED區不要形成電流環路。
  •縮短電纜和印制電路板上走線。

除了上述措施,新的方案也有助降低驅動電源的噪聲。Melexis公司的MLX10801和MLX10803LED驅動器采用偽隨機開關頻率發生器來降低電氣噪聲。圖4是低噪聲應用的電路實例,它符合CISPR25的5級標準,這里CISPR是國際無線電干擾特別委員法文的縮寫。工作電感L1應根據開關頻率和LED電流來確定。為了方便用戶設計,公司還提供了一個軟件和Excel表格,用來選取ROSC、RSET和RSENSE。

                                                                                圖4MLX10803應用實例
對圖4電路,開關頻率應低于150KHz,若LED電流在0.5-1A之間,L1與L2為100?H。噪聲是寬帶的,因而濾波電容采用大、小相結合的方案。二極管D1是高頻噪聲的主要來源,應仔細選擇,在電源電壓低于100V時,可使用肖特基二級管。

GaAs與GaAsPLED的光輸出強度與結溫密切相關,例如LED在25℃輸出100%的話,在80℃時只有80%。驅動器設置了溫度斜度補償電路,實際上一個PTC或NTC電阻便可解決問題,利用PTC的溫度系數來平衡LED的光輸出。為了保護LED,在溫度高于80℃,可以在器件的輸入端增加一個NTC電阻。

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