高效的LED车内照明设备的实现方法
发布时间：2010-7-31 19:59
发布者：lavida
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近来，在开发高效能低消耗LED的过程中所取得的进展，使这种照明光源在汽车内部照明系统的设计中成为一种技术性选择。本文将介绍汽车内部照明LED所用到的多种驱动结构与拓扑结构的具体细节，并对热管理问题加以讨论。 LED正在被许多汽车照明系统所使用。正是由于LED具有尺寸小、效率高的优点，使之适用于车内照明。因此，近来在开发高效能低消耗LED的过程中所取得的进展，使这种照明光源在汽车内部照明系统设计时成为一种技术性选择。但是，想要驱动这些器件使之发挥最佳性能，却是一门艺术。 LED需要专门的工作电流，需要在一个标准宽度的值域当中拥有调整LED正向电流的办法与精准性，需要车用电池组与充电系统以及串联限制电阻器。 在调节LED工作电流时创新使用标准N型沟道耗尽型晶体管(JFET)比使用电阻能获得更好的效果。JFET可以被看作是一个压控电阻。通过简单地调节栅源极电压，使源极能够提供相对稳定的电流，以此作为串联LED的电流源。当漏极电压与未经调整的开关型蓄电池相通连时，便能提供一个相对稳定的电流，与标准电阻相比，使用JFET能提供更高的效率。 LED车内照明将可应用在：仪表盘背光；控制台背光；顶灯；便捷光源；RGB基调光源。
电路拓扑结构、驱动器电流要求和热管理特别注意。图1所示电路几乎涉及所有汽车LED光源应用。如果LED电流低于100mA(大多数车内照明应用的类型都是背光或开关照明，电流一般为30mA)，电阻阻值可由串联在LED两端的导通电压(Vfwd)计算得出。当使用13.5 V之类的特殊电源电压时，电阻值的确定如下所示： Vsupply - Vsw_bat - Vrpp -I_led*R1 - 2 Vfwd=0 V Vsw_bat = 0 V Vsupply = 13.5 V (一般情况) Vrpp = 0.8 V Vfwd = 3.5 V I_led = 30mA R1 = 13.5 - 0.8 - 2*(3.5) = 190 Ω/30 由专用电阻来调整LED电流的方法已被大家所熟知，并且可通过选用一个阻值在一定范围内的电阻作为补偿来解决LED最坏情况下的Vfwd压降问题。然而，供电电压在9V至18V之间变化，LED电流也随之改变。在同样190Ω电阻和9V电压情况下重新调整公式，I_led值变为6.3mA.假定所有的参数保持不变，供电电压上升至18 V时I- led值为53mA。 仪表板通常都要有背光，以便使驾驶员能够在光线较弱的条件下看清仪表盘和指针。首先，亮度调节能力是最重要的——能提供100 : 1的亮度调节比。此外，为了方便驾驶员对汽车状态进行了解，一些指示用灯也需要背光，例如安全气囊检验、动力系统状态、液面情况等等。一般情况下，最多能同时应用30个LED。 将图1中的LED连接扩展为6路并联，并且在低压的一端由晶体三极管提供脉宽调制( PWM)光线调节功能。先前计算出的电阻阻值用以调整LED的正向电流，因此，在给定电源电压的条件下，总电流的大小由LED并联支路的数量决定。同样，供电电压在9V至18V之间变化，LED电流也随之改变。在实际应用中，供电电压为9V时，LED必须发出足够高的亮度以便让驾驶员能够正确读出仪表板读数。在18V时，印刷电路板(PCB)的发热问题又会凸显，这就需要我们对由此引发的最坏状背光灯所使用的LED导通电压随颜色而定，红色、橙色、绿色和淡黄色LED的导通电压为2.4V，蓝色和白色LED可高至3.8V。如果在串联情况下前两个LED导通电压为2.4V，那么恭喜你还可以再串联一个LED。也就是说，如果我们在一组LED中使用了一个标准的白光灯，那么此支路上的LED数就被限定为两个。如果车辆在维修时蓄电池极性接反，可产生高达- 15V的反极性电压，此时需要一个反极性保护二极管。LED的反向额定电压一般为- 5V，因此，在极性相反的情况之下，我们需要一个阻塞二极管来保护LED。 有一种通过控制电路低压端电压来调节LED亮度的方式，主机可通过偏压电阻、晶体三极管或数字晶体三极管(如MMUN2211系列)来作为一个简单接口对LED进行控制。晶体三极管具有集成Rb和Rbe电阻，因此使用逻辑电平信号便足以驱动基本的发射极电路。通过使用这样的晶体三极管并以单频控制PWM的占空比，可为电路中的LED提供一个较宽的亮度调节范围。
不只是LED驱动，有很多电路应用都需要低成本的固态稳流器。因此，一个固态稳流器应包含以下几点因素：低成本；在较宽的导通电压范围内保持电流稳定；以低导通电压运行时压降较小；导通电压过高时可进行功率限制；为并联应用提供理想的双端电流源；为LED亮度调节提供高频PWM控制；对直接引入的射频能量具有抗磁化特性；具备高等级的静电抗干扰能力。
用耗尽型N沟道场效应管替换图1电路中的190欧姆电阻便可成为图3所示电路。简单地将栅极与源极短接，通过使用1 V以上的电压将漏极与源极偏置，可产生LED驱动电流。值得一提的是，在使用JFET代替电阻来调整LED正向电流的过程中，当漏源电压增大(电池电压变化)时，电流仍可保持相对稳定。图4显示了JFET的稳流特性，在供电电压的正常工作范围内，可通过测定JFET的伏安特性曲线来深入了解它的这一特性。 如图4所示JFET伏安特性曲线，首先是线性区域，通过JFET的电流随着漏-源极间的压降增大而呈线性增长。这个区域的电压范围相对较窄(大于LED前向压降且小于1.5V)。我们可以比较一下，同样在9V供电输入的情况下图１和图3中LED的电流有何不同。图1中电路取反极性二极管压降为0.8V，留给190欧姆电阻1.2V电压，此时LED电流6.3 mA。而图3电路中JFET压降1.2V，这就使LED的电流变为21mA。因此我们看到，在较低的线路电压条件下，使用JFET偏置方法所提供的LED电流约为图1中供电方式的3.5倍。这类似于线性调压器中对骤降电压的控制。这种较低的跌落电压特性可以在车用蓄电池电量不足的情况下为LED提供较大的电流和照明亮度。 图4中接下来的区域是恒流区，此区域电压范围为1.5 V(LED导通电压)至大约6 V ( Vbattery为9.2 V至14.5 V)。此恒流区明确了JFET饱和漏极电流Idss的大小。通过将栅极与源极短接，此区域内的Idss便成为恒流源电流，并且，此恒定电流值可根据需要选取。 图１中LED电流由一电压值( 13.5 V)决定，此电压值不变，LED电流也随之恒定。但如果此电压值产生变化会怎样呢？JFET恒流区域内不只有一个供电电压偏置点。紧接着线性区之后，随着JFET的压降增加，JFET漏极电流基本上进入夹断状态，电流的变化率也骤然减小(电流曲线即时斜率或导纳减小)。因此JFET能够在一个较宽的电池电压变化范围内( 9.5 V到14.5 V)提供一个相当可靠的恒定电流。
与电阻相比，利用JFET的恒流区产生恒定电流能获得更好的效果。针对单一偏置电流制造出的LED所拥有的导通电压服从正态分布，在电源电压为13.5 V时，为了使输出的电流保持在30mA，必须要解决由LED导通电压的偏差所带来的压降问题。此时如果想按照图１电路正常使用LED，那恐怕需要安插大量电阻来补偿电路中不同LED的不同正向电压。看起来购买能覆盖所有导通电压范围的LED(按照不同的导通电压分类)有助于降低成本，但具有讽刺意义的是，这迫使用户要储存同等数量具有不同阻值的电阻。作为替代，如果使用图5C中所示电路，恒流源或JFET将能够忽略LED的导通电压，从而直接提供某一特定值的稳定电流。 图6中所示的第三个区域是图4区域中电压达到40V之前的延续。在偏置情况下，在供电电压从6V升至40V期间，由于元器件内沟道的电场作用使得JFET电流曲线呈现出折回形态。在沟道电场作用下，载流子被赶出沟道，此方式可有效减小JFET上的电流与功率损耗。这种自保护功能使得JFET在遇到极大的电压时也能正常为LED偏置提供恒流驱动。
到目前为止我们认为最坏的情况是持续供应18V电压，然而双倍电池供电电压的情况也是存在的。车辆发电机/交流发电机甩负载时会产生大规模感应瞬变现象，这种现象会持续数百毫秒，而且有时供电电压会在一分钟内上升至26 V，有时会达到40V或更高。因此我们需要一个车辆负载保护方案。 图7所示为40V以下BSR58的计算功率与它的理想恒流源功率，显示出JFET电路的节电能力。30V压降下190Ω电阻功率为4.7W，I_led为156mA。此类电流带来功率耗损过度并会缩短LED使用寿命。
使用JFET来为LED偏置提供电流已经获得广泛认同，如果有一个简单的方法能够调整Idss值的大小那就更好了。图8a中电路就是通过并联3个30mA JFET产生90mA LED偏置电流的。图8b中，将JFET与一个2.7 kΩ电阻并联，使之通过微调Idss电流，在最大20V电压下也能提供一个相当平稳的恒定电流。图8c所示JFET与一个200Ω电阻串联，这个电阻的作用是减小Vgs电压，以此达到减小Idss电流的目的。
我们已经看到，在许多汽车LED应用中通过使用电阻偏置电路配以BSR58 JFET恒流源，为我们带来很大方便。这种恒流源无论在低、中、高线路电压下都能胜任。此外，我们可以通过增加电阻或附加并联的JFET很容易地调整JFET供电电流大小。然而通过JFET使LED偏置所带来的最大优势是，我们可以忽略为补偿每个LED固有的导通电压差异所必需的大范围电阻阻值。 |
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