LED汽車前照燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與仿真

摘要：隨著大功率LED性價(jià)比的提高，輸出光流量的增加，使LED應(yīng)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(fù)載采用8顆700 mA大功率白光LED的條件下確定驅(qū)動(dòng)方式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和調(diào)光方式，設(shè)計(jì)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(dòng)電路，并用LTspiceIV軟件對電路進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，輸入電壓在10～14 V變化時(shí)輸出電流為一個(gè)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(zhuǎn)換效率為91％。有PWM信號(hào)輸入時(shí)，電路輸出一個(gè)與PWM信號(hào)相同占空比的電流。通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)LED亮度的控制。
關(guān)鍵詞：汽車前照燈：大功率LED；脈寬調(diào)制：LTSPiceIV

0 引言
有統(tǒng)計(jì)表明，90％的交通事故是由于人的因素造成的，危險(xiǎn)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(dòng)調(diào)整照明光軸方向，自動(dòng)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1 201 m超高亮度LED的報(bào)道，8個(gè)超高亮度LED就能產(chǎn)生10 001 m的光強(qiáng)。LED光源除了顯而易見的壽命長，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，功耗低等優(yōu)點(diǎn)外，其固有的體積小，設(shè)計(jì)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12 V，但實(shí)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(shè)計(jì)一種電流精度高，亮度可調(diào)，低功耗的驅(qū)動(dòng)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700 mA大功率白光LED的條件下設(shè)計(jì)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(dòng)電路，輸出電流穩(wěn)定、精度高、電路轉(zhuǎn)換效率高。

1 LED發(fā)光特性及驅(qū)動(dòng)類型的選擇
1．1 LED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(dòng)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(shí)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(shí)，發(fā)光亮度呈正比增大。為保持同等的光輸出，LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)LED。
該設(shè)計(jì)中的負(fù)載采用8個(gè)Luxeon公司型號(hào)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(dòng)類型的選擇
1．2．1 驅(qū)動(dòng)方式
LED驅(qū)動(dòng)方式可分為恒壓源驅(qū)動(dòng)和恒流源驅(qū)動(dòng)。恒壓源驅(qū)動(dòng)的負(fù)載一般采用LED多支路并聯(lián)，每個(gè)支路都要串連一個(gè)有一定阻值的鎮(zhèn)流電阻，要求高電流輸出時(shí)，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(dòng)，恒壓源驅(qū)動(dòng)將影響到LED的發(fā)光質(zhì)量和穩(wěn)定性；恒流源驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)上。恒流源串聯(lián)驅(qū)動(dòng)時(shí)，一般每個(gè)LED并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管，防止某個(gè)LED燒壞導(dǎo)致整個(gè)電路開路。
1．2．2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)又分為電荷泵驅(qū)動(dòng)和電感式驅(qū)動(dòng)。電荷泵驅(qū)動(dòng)器是利用電容將電流從輸入端傳到輸出端，整個(gè)方案不需要電感，具有體積小，設(shè)計(jì)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(gè)大功率LED串聯(lián)。所以設(shè)計(jì)中采用了電感式升壓驅(qū)動(dòng)。在圖1電路中，當(dāng)MOSFET管M1導(dǎo)通時(shí)，電感電流增加，開始儲(chǔ)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(shí)，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(shí)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(shí)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(dòng)時(shí)，LED的電流也隨著波動(dòng)，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(shí)現(xiàn)LED調(diào)光也是驅(qū)動(dòng)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(dòng)器外部使用SET電阻的方式缺乏靈活性，無法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。線性調(diào)節(jié)可動(dòng)態(tài)控制LED的亮度，但會(huì)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(shí)，LED輸入電流分別為最大或0，其導(dǎo)通時(shí)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(gè)PWM信號(hào)來控制LED亮度的做法，可以在不改變顏色的情況下實(shí)現(xiàn)對LED亮度的動(dòng)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100 Hz，但過高的頻率會(huì)增加MOSFET的動(dòng)態(tài)損耗。該設(shè)計(jì)中取PWM調(diào)光頻率為120 Hz。