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(fù)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(jìn)前照燈系統(tǒng)或自適應(yīng)前照系統(tǒng)(AFS)的概念,，其特點(diǎn)是車輛前燈能主動調(diào)整照明光軸方向，自動適應(yīng)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1201m超高亮度LED的報道,，8個超高亮度LED就能產(chǎn)生10001m的光強(qiáng),。LED光源除了顯而易見的壽命長，結(jié)構(gòu)堅固,，功耗低等優(yōu)點(diǎn)外,，其固有的體積小，設(shè)計更靈便,，反應(yīng)快,，控制更容易等特點(diǎn)，使它在汽車自適應(yīng)前照系統(tǒng)中的應(yīng)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12V，但實際電壓在12V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(shè)計一種電流精度高,，亮度可調(diào)，低功耗的驅(qū)動電路是制造LED汽車前照燈的關(guān)鍵技術(shù),。本文在輸入電壓為汽車電源電壓,，負(fù)載采用8顆700mA大功率白光LED的條件下設(shè)計一種基于LTC3783芯片PWM控制LED亮度的恒流LED汽車前照燈驅(qū)動電路，輸出電流穩(wěn)定,、精度高,、電路轉(zhuǎn)換效率高。
1LED發(fā)光特性及驅(qū)動類型的選擇
1．1LED發(fā)光特性
由于LED本質(zhì)上就是能發(fā)光的二極管,，只不過門檻電壓和導(dǎo)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(dǎo)致較大的電流變化,，其工作電流與導(dǎo)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(guān)，
,。其中：m近似等于1,；K為比例系數(shù)。當(dāng)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(qū)動電源應(yīng)該控制通過LED的電流大小不變,，即用恒流源驅(qū)動LED,。
該設(shè)計中的負(fù)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(qū)動類型的選擇
1．2．1驅(qū)動方式
LED驅(qū)動方式可分為恒壓源驅(qū)動和恒流源驅(qū)動,。恒壓源驅(qū)動的負(fù)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(zhuǎn)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(qū)動將影響到LED的發(fā)光質(zhì)量和穩(wěn)定性；恒流源驅(qū)動能控制輸出電流穩(wěn)定,，LED發(fā)光質(zhì)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(qū)動上。恒流源串聯(lián)驅(qū)動時,，一般每個LED并聯(lián)一個穩(wěn)壓管,，防止某個LED燒壞導(dǎo)致整個電路開路。
1．2．2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
LED驅(qū)動電路可分為線性穩(wěn)壓器電路和開關(guān)型變換器電路,。線性穩(wěn)壓驅(qū)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(guān)型變換器驅(qū)動又分為電荷泵驅(qū)動和電感式驅(qū)動,。電荷泵驅(qū)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(shè)計簡單的優(yōu)點(diǎn),，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(shè)計中采用了電感式升壓驅(qū)動,。在圖1電路中，當(dāng)MOSFET管M1導(dǎo)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(guān)閉,。當(dāng)MOSFET管M1關(guān)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(diào)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(yuǎn)光的轉(zhuǎn)換，而在自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)中調(diào)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(zhuǎn)角度,，適應(yīng)不同的路況信息,。當(dāng)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(jìn)行調(diào)光控制保證流過LED的電流不變。另外LED亮度調(diào)節(jié)還可以應(yīng)用在熱調(diào)節(jié)電路上,，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的體積大的散熱片裝置,。能夠準(zhǔn)確，高效地實現(xiàn)LED調(diào)光也是驅(qū)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(diào)節(jié)和PWM調(diào)節(jié)等技術(shù)來控制LED的亮度,。在LED驅(qū)動器外部使用SET電阻的方式缺乏靈活性,，無法進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。線性調(diào)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(diào)節(jié)技術(shù)的優(yōu)勢十分明顯,，當(dāng)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(dǎo)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(diào)節(jié),。
為保證PWM調(diào)光不被人眼察覺,，PWM調(diào)光頻率一般要大于100Hz，但過高的頻率會增加MOSFET的動態(tài)損耗,。該設(shè)計中取PWM調(diào)光頻率為120Hz,。
1．2．4設(shè)計規(guī)格
表2所示為本文LED恒流驅(qū)動電路的設(shè)計規(guī)格。
2驅(qū)動主電路設(shè)計
2．1電路組成
該電路主要由LTC3783,，MOSFET管M1,、M2，電感L1,，續(xù)流二極管D9,，檢測電阻R9，輸出電容C4大功率LED串組成的升壓型電感式電流控制模式驅(qū)動電路,。主電路如圖2所示,，LTC3783是凌特公司推出的電流模式多拓?fù)滢D(zhuǎn)換器PWM調(diào)光范圍的大功率LED驅(qū)動器，應(yīng)用范圍包括電信,、汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)中的高壓LED陣列,、背光照明以及穩(wěn)壓器。
通過改變芯片F(xiàn)REQ引腳外接電阻的大小來決定芯片的高頻控制信號頻率f,，GATE引腳輸出一個峰值為7V的脈沖信號,，它是PWMIN引腳接收的PWM控制脈沖和芯片LTC3783高頻控制輸出脈沖的與。GATE引腳驅(qū)動MOSFET管M1,，控制功率MOSFET管M1的通斷,，引起流過電感L1電流的變化，產(chǎn)生一個壓降,，它與輸入電壓的和為輸出電壓,。PWMOUT引腳輸出一個與PWMIN引腳相同的PWM控制脈沖信號，驅(qū)動MOSFET管M2,，PWM脈沖的占空比決定LED串電流的占空比,，進(jìn)而控制LED串的亮度。FBN引腳接受檢測電阻R9反饋的電壓信號,，當(dāng)輸出電流因輸入電壓發(fā)生變化時,，調(diào)整電路占空比，保持輸出電流恒定,。
2．2主要參數(shù)的計算
2．2．1開關(guān)頻率f的選取
PWM控制脈沖信號與芯片高頻開關(guān)控制信號如圖3所示,，可以看出兩者有如下關(guān)系：
采用PWM控制LED亮度時，一般為了避免讓人覺察,，控制脈沖的頻率選擇fPWM=120Hz,。每個控制脈沖高電平至少要包含2個芯片高頻開關(guān)脈沖,，即N>2。為了達(dá)到數(shù)字化實現(xiàn)DPWM為1：3000的調(diào)光比,，選擇芯片頻率f為1MHz,。而芯片開關(guān)頻率是由連接在芯片F(xiàn)REQ上的電阻R2決定的。f與R2的關(guān)系如圖4所示,，該設(shè)計中選擇R2=6kΩ,。
2．2．2計算電路占空比D
電路最大占空比計算公式為；
式中：VOUT為輸出電壓,；VIN(MIN)為最小輸入電壓,；VD為二極管D4的正向壓降V。最小輸入電壓為10V,，輸出電壓為28．6V,，二極管正向壓降為0．4V，由式(3)計算得到最大占空比為59％,。LTC3783允許的最大占空比可以達(dá)到90％,。
2．2．3計算最大輸入電流
計算最大輸入電流的目的是為了計算其他元件的額定值，輸入電流計算公式為：
式中：χ／2表示紋波電流與平均電流的比值,。這里取χ=Iout×20％=700mA；DMAX為59％,；算得最大輸入電流為1．8A,。
2．2．4輸入電感L1的計算
經(jīng)過電感L1的紋波電流為：
算得L=12μH。
2．2．5輸出電容C4的計算
輸出電容主要是減少輸出電流的紋波,。LED上流過電流的紋波對LED的光效和光衰有重要影響,，在一定的平均電流下，紋波越大,，則有效值越大,，轉(zhuǎn)化成的熱量越多，光效越低,，光衰越厲害,，壽命越短。所以對LED來說,，較好的驅(qū)動電流是紋波很小的直流電流,。
假設(shè)紋波電壓不超過輸出電壓的1％，有：
電容越大紋波電流越小,，考慮成本因素,，取式(7)計算得到的輸出電容最小值為5μF。為防止產(chǎn)生過多的熱量,，輸出電容應(yīng)選取低ESR值,，高耐壓的陶瓷電容,。
3MOSFET管、續(xù)流二極管的選取
MOSFET管漏端電壓為輸出電壓等于28．6V,，假設(shè)用高于額定電壓的30％來計算漏極峰值電壓,，那么MOSFET管漏極的最大電壓為38V。流過MOSFET管M1的最大電流IIN(MAX)為1．8A,，M2的最大電流為700mA左右,，一般選取實際電流的3倍為MOSFET管的額定電流。所以選取耐壓值為60V,，最大正向電流為7．5A,，內(nèi)阻為11mΩ的N溝道MOSFET管，型號為SI4470EY,。
D9的電壓與MOSFET管M1的電壓相同,，最大電壓為38V，流過D9的電流等于負(fù)載輸出電流700mA,，所以選擇耐壓值為40V,，最大正向電流為1．16A的肖特基二極管，型號為ZETEXZLLS1000,。
4仿真結(jié)果
用LTspiceIV軟件對電路進(jìn)行仿真,。圖5是輸入電壓分別為10V，12V,，14V,，無PWM調(diào)光時負(fù)載LED隨時間變化的輸出電流值。圖5可以看出,，隨著輸入電壓發(fā)生變化,，電路的占空比發(fā)生變化，輸出電流基本不變,。電流穩(wěn)定后測得電流在705～715mA之間變化,，即驅(qū)動電路輸出一個均值為710mA，有0．7％紋波的電流,。電流精度為：
式中IOUT(MAX)為實際輸出電流最大值,；IP為設(shè)定的輸出電流。
圖6為PWM調(diào)光時,，PWM波形和MOSFET漏極電壓波形圖,，可以看出功率管MOSFET的輸入信號是PWM輸出信號和LTC3783高頻開關(guān)控制輸出信號的與，兩個信號的占空比都可以調(diào)節(jié)輸出電流的大小,。
圖7為PWM調(diào)光時控制脈沖占空比分別為20％,，50％，80％時實際的輸出電流,。實際輸出電流與PWM脈沖的占空比相同,，進(jìn)而實現(xiàn)LED亮度的調(diào)節(jié),。
為計算電路的轉(zhuǎn)換效率，測得驅(qū)動電路的輸入電壓,、輸入電流,、輸出電壓和輸出電流的值如圖8所示?？梢钥闯鲚斎腚妷篤IN為12V,，輸入電流IIN為1．86A，輸出電壓VOUT為28．6V,，輸出電流IOUT為710mA,，因此電路轉(zhuǎn)換效率為：
5結(jié)語
本文基于凌特公司的LTC3783芯片，設(shè)計了用于汽車前照燈的8個大功率白色LED串驅(qū)動電路,。仿真結(jié)果表明,，在輸入電壓在10～14V時，輸出電流為一個均值,，大小710mA,，有0．7％紋波的電流，電流精度為2．1％,，輸出電壓為28．6V,，輸出功率為20W，電路轉(zhuǎn)換效率為91％,。驅(qū)動電路同時具有PWM調(diào)光的功能,，輸出一個與PWM信號占空比相同的電流。本文設(shè)計的LED驅(qū)動電路具有恒流精度高,，輸出功率大,，轉(zhuǎn)換效率高,，亮度可調(diào)的特點(diǎn),。