LED(Light Emitting Diode)，發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。近年來(lái)，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，從傳統(tǒng)的便攜設(shè)備背光向中大尺寸LCD顯示器/液晶電視背光、汽車(chē)及通用照明等領(lǐng)域不斷邁進(jìn)。本文將專門(mén)介紹適合于汽車(chē)照明應(yīng)用的各種LED驅(qū)動(dòng)器方案，并探討一些典型應(yīng)用。

　　1 LED為汽車(chē)照明應(yīng)用提供眾多優(yōu)勢(shì)

　　LED在汽車(chē)中的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，但可以簡(jiǎn)單歸納為內(nèi)部照明及外部照明(參見(jiàn)圖1)。外部照明有如前照燈、尾部照明等，內(nèi)部照明包括內(nèi)部便利及舒適照明和儀表盤(pán)背光等。

　　推動(dòng)汽車(chē)LED照明應(yīng)用的因素很多。以前照燈為例，采用LED作為光源擁有眾多優(yōu)勢(shì)：

　　1.1 利于靈活或新穎的造型設(shè)計(jì)

　　LED物理尺寸很小，能用于開(kāi)發(fā)極緊湊、極薄的模塊。與鹵素?zé)艉碗瘹鉄粝啾?，多串LED模塊需要更小、更簡(jiǎn)單的透鏡和光擴(kuò)散片硬件。且多個(gè)LED光源的光更易于導(dǎo)向，大大減輕工程設(shè)計(jì)對(duì)造型的影響。

　　1.2 光強(qiáng)度及能效不斷提升

　　LED光強(qiáng)度處于極快的提升曲線上，呈現(xiàn)出每18至24個(gè)月光通量將會(huì)翻一番的趨勢(shì)。LED光輸出已經(jīng)超過(guò)鹵素?zé)?，未?lái)LED實(shí)際光效性能還將能氙氣燈相匹敵。

　　1.3 高可靠性及長(zhǎng)壽命

　　只要為L(zhǎng)ED前照燈模塊進(jìn)行有效的熱管理以保持較低的結(jié)溫，并保護(hù)其免受開(kāi)關(guān)導(dǎo)通/關(guān)閉、調(diào)光期間可能出現(xiàn)的電流尖峰和電池脈沖的影響，期望它們?cè)谄?chē)整個(gè)壽命周期內(nèi)持續(xù)使用就并非不切實(shí)際。

　　1.4 顯著節(jié)能

　　與其它方案相比，LED前照燈使用的燃料/能源要少得多。使用高能效智能電源技術(shù)/芯片，而非需多個(gè)外部元件的一般IC，可以更節(jié)能。

　　因此，LED在汽車(chē)照明中的應(yīng)用日漸增多，且被眾多汽車(chē)制造商當(dāng)作設(shè)計(jì)賣(mài)點(diǎn)。

　　2 應(yīng)用于汽車(chē)照明的LED驅(qū)動(dòng)器方案比較

　　LED在汽車(chē)照明中的應(yīng)用多種多樣，不同應(yīng)用對(duì)LED電流的要求又各不相同，故需要結(jié)合具體應(yīng)用要求，選擇適合的LED驅(qū)動(dòng)器方案。

　　LED驅(qū)動(dòng)方案的一項(xiàng)主要功能是在多種工作條件下穩(wěn)流，而不論輸入條件如何及正向電壓如何變化。驅(qū)動(dòng)方案必須符合能效、外形因數(shù)、成本及安全性方面的應(yīng)用要求。同時(shí)，所選方案必須易用及足夠強(qiáng)固，從而適應(yīng)特定應(yīng)用的嚴(yán)格環(huán)境。

　　汽車(chē)應(yīng)用中的典型LED驅(qū)動(dòng)器方案包括電阻、線性LED驅(qū)動(dòng)器、開(kāi)關(guān)LED驅(qū)動(dòng)器及創(chuàng)新的照明管理LED驅(qū)動(dòng)器等。一般而言，根據(jù)應(yīng)用中LED電流大小的不同，在20到200 mA的低電流應(yīng)用中，可以選用分立元件(即電阻)或線性驅(qū)動(dòng)方案;在200至500 mA的中等電流應(yīng)用中，可以選用線性或開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器方案;而在大于500 mA的大電流應(yīng)用中，一般選擇開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器方案。

　　實(shí)際上，電阻是最簡(jiǎn)單、最低成本的LED限流方案，但是它們并不“穩(wěn)流”，只是在LED正向電壓變化及輸入電源電壓變化并導(dǎo)致電流變化從而引起LED亮度變異時(shí)，簡(jiǎn)單地限制LED最大電流。雖然這種方案的成本低，但能效也最低，且存在著LED篩選成本及熱失控等問(wèn)題。

　　CCR是一種比電阻方案性能更高但成本又低于線性驅(qū)動(dòng)器或開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器的方案，適合于電流小于200 mA的低電流LED照明應(yīng)用。CCR廉價(jià)并強(qiáng)固，在寬電壓范圍下提供恒定亮度，在輸入電壓較高時(shí)保護(hù)LED免受過(guò)驅(qū)動(dòng)，且在低電池電壓條件下仍提供較高亮度。這種方案能夠減少或消除LED篩選產(chǎn)生的庫(kù)存，使方案總成本更低。CCR最大工作電壓達(dá)50 V，能夠承受電池負(fù)載突降。CCR提供SOD123、SOT123及DPAK等不同封裝，能在嚴(yán)格熱環(huán)境下工作(125℃)，負(fù)溫度系數(shù)特性在高環(huán)境溫度條件下保護(hù)器件本身及LED。此外，CCR不產(chǎn)生電磁干擾，易于設(shè)計(jì)。

　　LED是一種高效環(huán)保的新型半導(dǎo)體光源，有其它光源無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。在未來(lái)汽車(chē)照明應(yīng)用中前景光明。LED 可以用串聯(lián)、并聯(lián)等不同的方式組合成LED 陣列，以滿足汽車(chē)照明強(qiáng)度的要求。針對(duì)LED 的發(fā)光特性，重點(diǎn)討論了LED 驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)，同時(shí)簡(jiǎn)述了LED 目前存在的問(wèn)題及解決方法。

　　1、汽車(chē)車(chē)燈作用及要求

　　目前，汽車(chē)日趨平民化，已成為主要交通工具，行車(chē)安全引起了社會(huì)廣泛的關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，汽車(chē)在夜晚或自然光線不足的情況下行駛的里程占總行駛里程的25%，而在此間發(fā)生的交通事故占到總事故的40%，并且一半以上的傷亡事故發(fā)生在夜間。因此，車(chē)外照明燈及信號(hào)燈是汽車(chē)安全行駛的關(guān)鍵部件，必須滿足下列條件：

　　(1)汽車(chē)照明燈點(diǎn)亮無(wú)延遲，響應(yīng)時(shí)間更快，給駕駛員更多的反應(yīng)時(shí)間。

　　(2)照明亮度強(qiáng)，在夜間或自然光線不足的情況下提高駕駛員的視野，同時(shí)使車(chē)外信號(hào)燈的指示作用更強(qiáng)。

　　(3)高耐震，工作可靠性高，避免因照明故障引起的意外事故。

　　(4)節(jié)能，能夠有效減少?gòu)U氣的排放量，保護(hù)環(huán)境。

　　(5)基于汽車(chē)銷售競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，車(chē)燈設(shè)計(jì)要實(shí)用和美觀。

　　2、LED 成為汽車(chē)照明選材中的新星

　　2.1 LED 的工作原理

　　LED 是特殊的二極管，是一種通過(guò)摻雜等手段形成PN 結(jié)的半導(dǎo)體器件。當(dāng)滿足二極管導(dǎo)通條件時(shí)，電流流過(guò)LED，以光和熱的形式釋放出能量。LED 是電流控制的電流型元件，其發(fā)光強(qiáng)度主要依據(jù)通過(guò)的電流大小，正向?qū)〞r(shí)，其壓降非常高，而且本身具有一定的波動(dòng)范圍。

　　由于LED 沒(méi)有紅外線及紫外線的輻射，其消耗的能量除轉(zhuǎn)換為光能外，幾乎都是熱能，且只能以熱傳導(dǎo)的形式傳出，因此，LED 在工作時(shí)，結(jié)溫會(huì)逐漸升高。而LED 是具有負(fù)溫度系數(shù)的器件，流過(guò)LED 的電流會(huì)隨溫度升高而增大，這就形成了正反饋，造成結(jié)溫的進(jìn)一步升高，如不加控制，就會(huì)燒毀LED。LED 的熱學(xué)參數(shù)與PN 結(jié)的結(jié)溫有很大關(guān)系，主波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系如下式：

　　mp(Tl) = m0(T0)+ 3Tg #0.1nm/°C

　　由上式可知，每當(dāng)LED 結(jié)溫升高10℃時(shí)，主波長(zhǎng) ( 人眼能夠觀察到的) 就會(huì)向長(zhǎng)波漂移1nm(1nm=10-9m)，導(dǎo)致LED 亮度下降，出現(xiàn)光衰。因此， 個(gè)別LED 過(guò)熱，就會(huì)造成LED 陣列發(fā)光的均勻性變差。

　　2.2 LED 顯著的照明優(yōu)勢(shì)

　　LED 被稱為新光源，原因在于LED 具備點(diǎn)光源與固態(tài)光源的特性，因此具有其它照明光源無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

　　(1)LED 壽命理論上可達(dá)10 萬(wàn)小時(shí)， 實(shí)際壽命也可達(dá)到2 萬(wàn)小時(shí)以上，比一般白炙燈泡的1 000 小時(shí)、日光燈具的1 萬(wàn)小時(shí)更具優(yōu)勢(shì)，在汽車(chē)使用壽命期間一般無(wú)須更換。

　　(2)點(diǎn)亮無(wú)延遲，響應(yīng)時(shí)間更快。LED 的啟動(dòng)時(shí)間僅為幾十納秒，啟動(dòng)時(shí)間較白熾燈泡大大縮短。

　　(3)在光線亮度高、自然光線可見(jiàn)度低的情況下，大大降低汽車(chē)事故發(fā)生率;基本上無(wú)輻射，屬于“綠色光源”。

　　(4)LED 占用體積小， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高耐震，設(shè)計(jì)者可以隨意變換燈具模式，令汽車(chē)造型多樣化，滿足不同消費(fèi)者需求。

　　(5)LED 光源受電壓變化的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于白熾燈泡，顯示了卓越的安全性和可靠性，同時(shí)消耗的能量較同光效的白熾燈減少80%，非常節(jié)能。

　　基于上述優(yōu)勢(shì)，LED 可以在汽車(chē)照明中廣泛應(yīng)用，但單個(gè)LED 無(wú)法滿足汽車(chē)照明強(qiáng)度的要求，必須多個(gè)串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)成LED 陣列使用，如圖1 所示。

　　圖1 LED 組合成的照明光源

　　2.3 LED 驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

　　LED 驅(qū)動(dòng)方式可采用電阻限流、線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)型變換器3 類。電阻限流方案適用于效率低的應(yīng)用場(chǎng)合，所以對(duì)效率要求極高，輸入電壓范圍寬的汽車(chē)照明上不采用此方法;線性穩(wěn)壓器適應(yīng)于低電流或LED 正向壓降稍低于電源電壓的場(chǎng)合，但同樣存在效率和輸入電壓范圍小的問(wèn)題;開(kāi)關(guān)型變換器具有電路拓?fù)潇`活、效率高和輸入電壓寬的特性。因此，綜合考慮工作效率、安裝尺寸、靜態(tài)電流、工作電壓、噪聲和輸出調(diào)節(jié)等因素后，驅(qū)動(dòng)電路多采用開(kāi)關(guān)型變換器。開(kāi)關(guān)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為Buck、Boost 及Buck-Boos 等方式。目前來(lái)看，LED 應(yīng)用在汽車(chē)照明上，其驅(qū)動(dòng)電源必然是鉛酸蓄電池。

　　因?yàn)樾铍姵氐妮斎腚妷悍秶鷷?huì)與正常的范圍有很大的出入，因此驅(qū)動(dòng)電路一般用Buck-Boost 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)滿足LED陣列對(duì)電壓要求。此電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直流增益 (輸出電壓與輸入電壓之比)與占空比D(一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，開(kāi)通時(shí)間與周期的比值)有關(guān)。當(dāng)電池電壓低于LED 所需電壓時(shí)，調(diào)節(jié)D > 0.5，使電路處于升壓狀態(tài);當(dāng)電池電壓高于LED 所需電壓時(shí)，調(diào)節(jié)D < 0.5，使電路處于降壓狀態(tài)。LED 是電流控制的電流型元件，亮度與流過(guò)的電流成正比。如果LED 不是恒流驅(qū)動(dòng)，通過(guò)的電流波動(dòng)時(shí)，即使電壓恒定也會(huì)造成LED 的亮度變化。為保證亮度穩(wěn)定可靠，LED 需要恒定的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)，而且還需要在任何情況下都能將紋波電流控制在可接受的水平。所以，LED 驅(qū)動(dòng)電路的輸出必須是恒流輸出而非恒壓輸出。

　　Buck-Boost 電路將蓄電池電能變換后對(duì)LED 陣列供電，采樣電路對(duì)流過(guò)LED 的電流采樣，將信號(hào)傳到控制電路。控制電路分析采樣信息，調(diào)節(jié)Buck-Boost 電路中開(kāi)關(guān)管的占空比，保證通過(guò)LED 電流恒定;當(dāng)電路出現(xiàn)異常時(shí)，通過(guò)控制保護(hù)電路切斷電源，保證LED 不受損害。一般情況下，LED 驅(qū)動(dòng)電路必須滿足下列要求：

　　(1)升降壓功能。當(dāng)輸入電壓或LED 本身壓降波動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)輸出電壓，滿足輸出電流恒定的要求，保證LED 發(fā)光穩(wěn)定可靠。

　　(2)高功率轉(zhuǎn)換效率。以降低驅(qū)動(dòng)損耗，節(jié)省成本，同時(shí)減少蓄電池充電次數(shù)，延長(zhǎng)電池使用壽命。

　　(3)亮度調(diào)節(jié)功能。周?chē)h(huán)境很暗時(shí)，信號(hào)燈往往不需最大電流驅(qū)動(dòng)，此時(shí)可控制驅(qū)動(dòng)電流而改變LED的亮度，進(jìn)而降低LED 的耗電量。調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流常用的方法是利用PWM 信號(hào)控制。

　　(4)具有完善的保護(hù)電路。應(yīng)設(shè)置各種保護(hù)措施，用以保護(hù)自身和LED 可靠工作。例如，低壓鎖存、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、輸出開(kāi)路或短路保護(hù)等。

　　(5)良好的散熱功能。由LED 的熱學(xué)特性可知，溫度是影響LED 工作的重要因素之一。在夜晚行車(chē)時(shí)，LED 處于長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)亮狀態(tài)，因此，必須有良好的散熱功能，保證LED 的壽命及工作可靠。

　　3、LED 的缺陷及解決方法

　　3.1 不一致性帶來(lái)的問(wèn)題

　　理論上LED 都是發(fā)光二極管，但是由于材料的純度、工藝和封裝的差異(即使是同一廠家也難避免)，實(shí)際LED 陣列中單個(gè)LED 的性能是有差異的。這將導(dǎo)致LED的發(fā)光強(qiáng)度與驅(qū)動(dòng)電流不完全相同，耐過(guò)電流能力和發(fā)熱的差異也就自然而然的不同了。因?yàn)長(zhǎng)ED 的差異總有一個(gè)最先損壞，會(huì)使電流增大而損壞其他的LED。這就是不一致性帶的結(jié)果，也是制約其發(fā)展的因素之一。因此， 制造商應(yīng)提高LED 質(zhì)量，避免較大差異，同時(shí)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)電路，防止上述現(xiàn)象發(fā)生。

　　3.2 驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜的問(wèn)題

　　首先，在電壓匹配方面，LED 不像普通白熾燈泡，可以直接連接220V 的交流市電。LED 是3.6 ～ 4.5V 的低電壓驅(qū)動(dòng)，必須要設(shè)計(jì)復(fù)雜的變換電路。其次，在驅(qū)動(dòng)電流方面，為了保證LED 正常工作，要恒流、恒壓電路供電，另加保護(hù)電路。這樣電源電路復(fù)雜性和故障率都將升高，從而大大地限制了市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力與購(gòu)買(mǎi)群體。

　　因此，設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用專用驅(qū)動(dòng)芯片，以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。例如，F(xiàn)AN5608 系列、CAT4201、LT3754 等芯片，在LED 驅(qū)動(dòng)方面效果良好。

　　3.3 LED 的成本問(wèn)題

　　一部車(chē)若把照明全部換成LED，內(nèi)、外部大約各需用掉200 ～ 300 顆LED，和其他照明光源相比，成本顯得相當(dāng)高。盡管壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)能彌補(bǔ)其成本高昂的劣勢(shì)，但是從總體上來(lái)看，其成本仍大大高于其他光源。這是目前LED性能突出但沒(méi)有占據(jù)大量市場(chǎng)份額的主要原因。

　　但是各國(guó)政府對(duì)LED 技術(shù)十分重視，每年投入大量資金進(jìn)行研究，相信這個(gè)問(wèn)題在不遠(yuǎn)的將來(lái)必會(huì)圓滿解決。

　　汽車(chē)照明的各個(gè)部分都可以采用LED，從前燈到霧燈，儀表背光到反光鏡的照明、尾燈照明、內(nèi)飾照明等，安森美提供一系列的標(biāo)準(zhǔn)照明模擬產(chǎn)品，如NCV3065和分立器件如NSI45系列，以及收購(gòu)AMIS獲得的一系列產(chǎn)品如ASSP等，為不同的照明子系統(tǒng)提供專業(yè)的汽車(chē)級(jí)照明解決方案。

　　隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越先進(jìn)的照明技木在汽車(chē)上正得到更多應(yīng)用。其中，LED照明具有鹵素?zé)艉碗瘹鉄魺o(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如壽命長(zhǎng)、響應(yīng)時(shí)間快、節(jié)能環(huán)保等，加快了在汽車(chē)照明中大量采用的步伐。

　　對(duì)此安森美半導(dǎo)體為汽車(chē)前照燈照明應(yīng)用提供寬廣陣容的產(chǎn)品，從一般燈泡驅(qū)動(dòng)器方案到步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、LED驅(qū)動(dòng)器和氙燈驅(qū)動(dòng)器等，持續(xù)致力于汽車(chē)前照燈、儀表盤(pán)背光、內(nèi)部照明、車(chē)門(mén)照明及尾燈等汽車(chē)照明應(yīng)用提供包括標(biāo)準(zhǔn)及定制產(chǎn)品在內(nèi)的豐富方案，尤其是在前照燈調(diào)整、偏轉(zhuǎn)用氙氣燈驅(qū)動(dòng)專用集成電路和成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器方面市場(chǎng)。

　　各類型產(chǎn)品特征及整體解決方案

　　安森美線性穩(wěn)壓器針對(duì)低電路的應(yīng)用，比如20mA的LED，它的總功耗比較低，可以在85度的環(huán)境下工作，系統(tǒng)集成度比較低，如NSI45系列的CCR或NUD系列就可以滿足這類的要求;

　　對(duì)于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，它的特征是LED功率會(huì)比較高，能達(dá)到700mA左右，屬于中高等的總功耗，可以在高125度的環(huán)境下工作，它的系統(tǒng)集成度也比較低，可以用NCV3056/66系列實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制;

　　對(duì)于照明管理集成芯片，它的功率也比較大，環(huán)境溫度也可以達(dá)到125度，是一個(gè)完整獨(dú)立的子系統(tǒng)，所以集成度會(huì)比較高， NCV78663和NCV7680就是針對(duì)這種應(yīng)用使用的。