浅谈LED在汽车中的应用及其驱动电路的设计
led 是发光二极管（light emitting diode） 的简称，是一种能够将电能转化为可见光的半导体，发光效率可达80% 至90%。这种半导体组件自开发以来一般是作为指示灯使用。随着科学技术的发展，led 对照明领域产生了深刻的影响，被誉为继白炽灯、荧光灯、气体放电灯之后的第4 代照明光源。20 世纪80 年代中期，led 开始应用于汽车中央高位制动灯。20 世纪90 年代，汽车仪表lcd 面板背光照明普遍采用led 这种固态新光源。
进入新世纪后，led 光源技术有了更快的发展，涂敷荧光粉工艺制作成的大功率白光led 的光效已达到100lm／ w。随着输出光通量不断提高，led 在汽车照明中的推广应用有了更大的发展空间。
1 汽车车灯作用及要求
目前，汽车日趋平民化，已成为主要交通工具，行车安全引起了社会广泛的关注。据不完全统计，汽车在夜晚或自然光线不足的情况下行驶的里程占总行驶里程的25%，而在此间发生的交通事故占到总事故的40%，并且一半以上的伤亡事故发生在夜间。因此，车外照明灯及信号灯是汽车安全行驶的关键部件，必须满足下列条件：
（1）汽车照明灯点亮无延迟，响应时间更快，给驾驶员更多的反应时间。
（2）照明亮度强，在夜间或自然光线不足的情况下提高驾驶员的视野，同时使车外信号灯的指示作用更强。
（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）节能，能够有效减少废气的排放量，保护环境。
（5）基于汽车销售竞争日益激烈，车灯设计要实用和美观。
2 led 成为汽车照明选材中的新星
2.1 led 的工作原理
led 是特殊的二极管，是一种通过掺杂等手段形成pn 结的半导体器件。当满足二极管导通条件时，电流流过led，以光和热的形式释放出能量。led 是电流控制的电流型元件，其发光强度主要依据通过的电流大小，正向导通时，其压降非常高，而且本身具有一定的波动范围。
由于led 没有红外线及紫外线的辐射，其消耗的能量除转换为光能外，几乎都是热能，且只能以热传导的形式传出，因此，led 在工作时，结温会逐渐升高。而led 是具有负温度系数的器件，流过led 的电流会随温度升高而增大，这就形成了正反馈，造成结温的进一步升高，如不加控制，就会烧毁led。led 的热学参数与pn 结的结温有很大关系，主波长与温度的关系如下式：
mp（tl） = m0（t0）+ 3tg #0.1nm/°c
由上式可知，每当led 结温升高10℃时，主波长 （ 人眼能够观察到的） 就会向长波漂移1nm（1nm=10-9m），导致led 亮度下降，出现光衰。因此， 个别led 过热，就会造成led 阵列发光的均匀性变差。
2.2 led 显着的照明优势
led 被称为新光源，原因在于led 具备点光源与固态光源的特性，因此具有其它照明光源无法比拟的优点。
（1）led 寿命理论上可达10 万小时， 实际寿命也可达到2 万小时以上，比一般白炙灯泡的1 000 小时、日光灯具的1 万小时更具优势，在汽车使用寿命期间一般无须更换。
（2）点亮无延迟，响应时间更快。led 的启动时间仅为几十纳秒，启动时间较白炽灯泡大大缩短。
（3）在光线亮度高、自然光线可见度低的情况下，大大降低汽车事故发生率；基本上无辐射，属于“绿色光源”。
（4）led 占用体积小， 结构简单，高耐震，设计者可以随意变换灯具模式，令汽车造型多样化，满足不同消费者需求。
（5）led 光源受电压变化的影响远远小于白炽灯泡，显示了卓越的安全性和可靠性，同时消耗的能量较同光效的白炽灯减少80%，非常节能。
基于上述优势，led 可以在汽车照明中广泛应用，但单个led 无法满足汽车照明强度的要求，必须多个串联、并联或串并联成led 阵列使用，如图1 所示。
图1 led 组合成的照明光源
2.3 led 驱动的设计及特点
led 驱动方式可采用电阻限流、线性稳压器和开关型变换器3 类。电阻限流方案适用于效率低的应用场合，所以对效率要求极高，输入电压范围宽的汽车照明上不采用此方法；线性稳压器适应于低电流或led 正向压降稍低于电源电压的场合，但同样存在效率和输入电压范围小的问题；开关型变换器具有电路拓扑灵活、效率高和输入电压宽的特性。因此，综合考虑工作效率、安装尺寸、静态电流、工作电压、噪声和输出调节等因素后，驱动电路多采用开关型变换器。开关变换器拓扑结构分为buck、boost 及buck-boos 等方式。目前来看，led 应用在汽车照明上，其驱动电源必然是铅酸蓄电池。
因为蓄电池的输入电压范围会与正常的范围有很大的出入，因此驱动电路一般用buck-boost 拓扑结构满足led阵列对电压要求。此电路拓扑结构直流增益 （输出电压与输入电压之比）与占空比d（一个开关周期内，开通时间与周期的比值）有关。当电池电压低于led 所需电压时，调节d ＞ 0.5，使电路处于升压状态；当电池电压高于led 所需电压时，调节d ＜ 0.5，使电路处于降压状态。led 是电流控制的电流型元件，亮度与流过的电流成正比。如果led 不是恒流驱动，通过的电流波动时，即使电压恒定也会造成led 的亮度变化。为保证亮度稳定可靠，led 需要恒定的电流来驱动，而且还需要在任何情况下都能将纹波电流控制在可接受的水平。所以，led 驱动电路的输出必须是恒流输出而非恒压输出。
可以设计led 驱动电路原理图如图2 所示。
图2 led 驱动原理图
图2 可知，buck-boost 电路将蓄电池电能变换后对led 阵列供电，采样电路对流过led 的电流采样，将信号传到控制电路。控制电路分析采样信息，调节buck-boost 电路中开关管的占空比，保证通过led 电流恒定；当电路出现异常时，通过控制保护电路切断电源，保证led 不受损害。一般情况下，led 驱动电路必须满足下列要求：
（1）升降压功能。当输入电压或led 本身压降波动时，调节输出电压，满足输出电流恒定的要求，保证led 发光稳定可靠。
（2）高功率转换效率。以降低驱动损耗，节省成本，同时减少蓄电池充电次数，延长电池使用寿命。
（3）亮度调节功能。周围环境很暗时，信号灯往往不需最大电流驱动，此时可控制驱动电流而改变led的亮度，进而降低led 的耗电量。调节驱动电流常用的方法是利用pwm 信号控制。
（4）具有完善的保护电路。应设置各种保护措施，用以保护自身和led 可靠工作。例如，低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或短路保护等。
（5）良好的散热功能。由led 的热学特性可知，温度是影响led 工作的重要因素之一。在夜晚行车时，led 处于长时间点亮状态，因此，必须有良好的散热功能，保证led 的寿命及工作可靠。
3 led 的缺陷及解决方法
3.1 不一致性带来的问题
理论上led 都是发光二极管，但是由于材料的纯度、工艺和封装的差异（即使是同一厂家也难避免），实际led 阵列中单个led 的性能是有差异的。这将导致led的发光强度与驱动电流不完全相同，耐过电流能力和发热的差异也就自然而然的不同了。因为led 的差异总有一个最先损坏，会使电流增大而损坏其他的led。这就是不一致性带的结果，也是制约其发展的因素之一。因此， 制造商应提高led 质量，避免较大差异，同时设计驱动电路时应设计相应的保护电路，防止上述现象发生。
3.2 驱动电路复杂的问题
首先，在电压匹配方面，led 不像普通白炽灯泡，可以直接连接220v 的交流市电。led 是3.6 ～ 4.5v 的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路。其次，在驱动电流方面，为了保证led 正常工作，要恒流、恒压电路供电，另加保护电路。这样电源电路复杂性和故障率都将升高，从而大大地限制了市场的竞争力与购买群体。
因此，设计时尽量采用专用驱动芯片，以简化驱动电路结构，增强系统工作的稳定性。例如，fan5608 系列、cat4201、lt3754 等芯片，在led 驱动方面效果良好。
3.3 led 的成本问题
一部车若把照明全部换成led，内、外部大约各需用掉200 ～ 300 颗led，和其他照明光源相比，成本显得相当高。尽管寿命长的优势能弥补其成本高昂的劣势，但是从总体上来看，其成本仍大大高于其他光源。这是目前led 性能突出但没有占据大量市场份额的主要原因。
但是各国政府对led 技术十分重视，每年投入大量资金进行研究，相信这个问题在不远的将来必会圆满解决。
4 结束语
由于led 成本较高，驱动技术比较复杂，现在还没有全面广泛地进入汽车市场。我国已经规定，凡是上高速公路的汽车必须装设led 雾灯。未来，随着led 价格逐渐下降，其车灯模块必将逐步使用高亮度led 作为光源。自从奥迪第一款加装led 前灯的车型r8 上市以来，国际上如凯迪拉克、宝马、丰田、奔驰和福特等知名汽车公司都纷纷推出配有五彩缤纷的led 灯具的新款轿车以吸引顾客。随着汽车工业的不断发展，led 必将在未来几年内广泛应用在汽车市场。整体看，汽车用灯led化是车灯发展的一个大趋势，必将是汽车照明系统发展史上的一次飞跃。
ETC大力推广的背后是怎样的
晨日科技与TCL的合作迈出重要一步
MiniLED离大规模商用化仅剩一步之遥?
三运放架构对仪表放大器的制约
Linux开发_BMP图片编程(翻转、添加水印)
浅谈LED在汽车中的应用及其驱动电路的设计
单片机程序框架开发知识总结
中国科学家开发深度强化学习框架：有效率识别复杂网络
华为HMS服务或将在欧洲亮相；佳能推出首款固态化光源投影机；小米10快充带动GaN市场...
ESL和DFM将完全更新EDA市场?
真正意义上的全面屏离我们不远了，甩掉刘海屏是迟早的事
【解决方案】北海银基国际滨海旅游度假中心项目水世界能源管理系统的设计与应用
触摸屏技术的应用前景展望
采用TLV5618和SPCE061A芯片实现轮椅自主避障系统的软硬件设计
麦克斯韦理论：赫兹的电磁波实验
数字示波器通道耦合与触发耦合的区别
基于Android的屏幕水雾手机游戏的设计方案
华为nova5z即将发布 将搭载麒麟810处理器
SMT贴片机三种贴装头应该如何进行选择呢？
IR推出第三代全新SupIRBuck负载点稳压器
进入新世纪后，led 光源技术有了更快的发展，涂敷荧光粉工艺制作成的大功率白光led 的光效已达到100lm／ w。随着输出光通量不断提高，led 在汽车照明中的推广应用有了更大的发展空间。
1 汽车车灯作用及要求
目前，汽车日趋平民化，已成为主要交通工具，行车安全引起了社会广泛的关注。据不完全统计，汽车在夜晚或自然光线不足的情况下行驶的里程占总行驶里程的25%，而在此间发生的交通事故占到总事故的40%，并且一半以上的伤亡事故发生在夜间。因此，车外照明灯及信号灯是汽车安全行驶的关键部件，必须满足下列条件：
（1）汽车照明灯点亮无延迟，响应时间更快，给驾驶员更多的反应时间。
（2）照明亮度强，在夜间或自然光线不足的情况下提高驾驶员的视野，同时使车外信号灯的指示作用更强。
（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）节能，能够有效减少废气的排放量，保护环境。
（5）基于汽车销售竞争日益激烈，车灯设计要实用和美观。
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2.1 led 的工作原理
led 是特殊的二极管，是一种通过掺杂等手段形成pn 结的半导体器件。当满足二极管导通条件时，电流流过led，以光和热的形式释放出能量。led 是电流控制的电流型元件，其发光强度主要依据通过的电流大小，正向导通时，其压降非常高，而且本身具有一定的波动范围。
由于led 没有红外线及紫外线的辐射，其消耗的能量除转换为光能外，几乎都是热能，且只能以热传导的形式传出，因此，led 在工作时，结温会逐渐升高。而led 是具有负温度系数的器件，流过led 的电流会随温度升高而增大，这就形成了正反馈，造成结温的进一步升高，如不加控制，就会烧毁led。led 的热学参数与pn 结的结温有很大关系，主波长与温度的关系如下式：
mp（tl） = m0（t0）+ 3tg #0.1nm/°c
由上式可知，每当led 结温升高10℃时，主波长 （ 人眼能够观察到的） 就会向长波漂移1nm（1nm=10-9m），导致led 亮度下降，出现光衰。因此， 个别led 过热，就会造成led 阵列发光的均匀性变差。
2.2 led 显着的照明优势
led 被称为新光源，原因在于led 具备点光源与固态光源的特性，因此具有其它照明光源无法比拟的优点。
（1）led 寿命理论上可达10 万小时， 实际寿命也可达到2 万小时以上，比一般白炙灯泡的1 000 小时、日光灯具的1 万小时更具优势，在汽车使用寿命期间一般无须更换。
（2）点亮无延迟，响应时间更快。led 的启动时间仅为几十纳秒，启动时间较白炽灯泡大大缩短。
（3）在光线亮度高、自然光线可见度低的情况下，大大降低汽车事故发生率；基本上无辐射，属于“绿色光源”。
（4）led 占用体积小， 结构简单，高耐震，设计者可以随意变换灯具模式，令汽车造型多样化，满足不同消费者需求。
（5）led 光源受电压变化的影响远远小于白炽灯泡，显示了卓越的安全性和可靠性，同时消耗的能量较同光效的白炽灯减少80%，非常节能。
基于上述优势，led 可以在汽车照明中广泛应用，但单个led 无法满足汽车照明强度的要求，必须多个串联、并联或串并联成led 阵列使用，如图1 所示。
图1 led 组合成的照明光源
2.3 led 驱动的设计及特点
led 驱动方式可采用电阻限流、线性稳压器和开关型变换器3 类。电阻限流方案适用于效率低的应用场合，所以对效率要求极高，输入电压范围宽的汽车照明上不采用此方法；线性稳压器适应于低电流或led 正向压降稍低于电源电压的场合，但同样存在效率和输入电压范围小的问题；开关型变换器具有电路拓扑灵活、效率高和输入电压宽的特性。因此，综合考虑工作效率、安装尺寸、静态电流、工作电压、噪声和输出调节等因素后，驱动电路多采用开关型变换器。开关变换器拓扑结构分为buck、boost 及buck-boos 等方式。目前来看，led 应用在汽车照明上，其驱动电源必然是铅酸蓄电池。
因为蓄电池的输入电压范围会与正常的范围有很大的出入，因此驱动电路一般用buck-boost 拓扑结构满足led阵列对电压要求。此电路拓扑结构直流增益 （输出电压与输入电压之比）与占空比d（一个开关周期内，开通时间与周期的比值）有关。当电池电压低于led 所需电压时，调节d ＞ 0.5，使电路处于升压状态；当电池电压高于led 所需电压时，调节d ＜ 0.5，使电路处于降压状态。led 是电流控制的电流型元件，亮度与流过的电流成正比。如果led 不是恒流驱动，通过的电流波动时，即使电压恒定也会造成led 的亮度变化。为保证亮度稳定可靠，led 需要恒定的电流来驱动，而且还需要在任何情况下都能将纹波电流控制在可接受的水平。所以，led 驱动电路的输出必须是恒流输出而非恒压输出。
可以设计led 驱动电路原理图如图2 所示。
图2 led 驱动原理图
图2 可知，buck-boost 电路将蓄电池电能变换后对led 阵列供电，采样电路对流过led 的电流采样，将信号传到控制电路。控制电路分析采样信息，调节buck-boost 电路中开关管的占空比，保证通过led 电流恒定；当电路出现异常时，通过控制保护电路切断电源，保证led 不受损害。一般情况下，led 驱动电路必须满足下列要求：
（1）升降压功能。当输入电压或led 本身压降波动时，调节输出电压，满足输出电流恒定的要求，保证led 发光稳定可靠。
（2）高功率转换效率。以降低驱动损耗，节省成本，同时减少蓄电池充电次数，延长电池使用寿命。
（3）亮度调节功能。周围环境很暗时，信号灯往往不需最大电流驱动，此时可控制驱动电流而改变led的亮度，进而降低led 的耗电量。调节驱动电流常用的方法是利用pwm 信号控制。
（4）具有完善的保护电路。应设置各种保护措施，用以保护自身和led 可靠工作。例如，低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或短路保护等。
（5）良好的散热功能。由led 的热学特性可知，温度是影响led 工作的重要因素之一。在夜晚行车时，led 处于长时间点亮状态，因此，必须有良好的散热功能，保证led 的寿命及工作可靠。
3 led 的缺陷及解决方法
3.1 不一致性带来的问题
理论上led 都是发光二极管，但是由于材料的纯度、工艺和封装的差异（即使是同一厂家也难避免），实际led 阵列中单个led 的性能是有差异的。这将导致led的发光强度与驱动电流不完全相同，耐过电流能力和发热的差异也就自然而然的不同了。因为led 的差异总有一个最先损坏，会使电流增大而损坏其他的led。这就是不一致性带的结果，也是制约其发展的因素之一。因此， 制造商应提高led 质量，避免较大差异，同时设计驱动电路时应设计相应的保护电路，防止上述现象发生。
3.2 驱动电路复杂的问题
首先，在电压匹配方面，led 不像普通白炽灯泡，可以直接连接220v 的交流市电。led 是3.6 ～ 4.5v 的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路。其次，在驱动电流方面，为了保证led 正常工作，要恒流、恒压电路供电，另加保护电路。这样电源电路复杂性和故障率都将升高，从而大大地限制了市场的竞争力与购买群体。
因此，设计时尽量采用专用驱动芯片，以简化驱动电路结构，增强系统工作的稳定性。例如，fan5608 系列、cat4201、lt3754 等芯片，在led 驱动方面效果良好。
3.3 led 的成本问题
一部车若把照明全部换成led，内、外部大约各需用掉200 ～ 300 颗led，和其他照明光源相比，成本显得相当高。尽管寿命长的优势能弥补其成本高昂的劣势，但是从总体上来看，其成本仍大大高于其他光源。这是目前led 性能突出但没有占据大量市场份额的主要原因。
但是各国政府对led 技术十分重视，每年投入大量资金进行研究，相信这个问题在不远的将来必会圆满解决。
4 结束语
由于led 成本较高，驱动技术比较复杂，现在还没有全面广泛地进入汽车市场。我国已经规定，凡是上高速公路的汽车必须装设led 雾灯。未来，随着led 价格逐渐下降，其车灯模块必将逐步使用高亮度led 作为光源。自从奥迪第一款加装led 前灯的车型r8 上市以来，国际上如凯迪拉克、宝马、丰田、奔驰和福特等知名汽车公司都纷纷推出配有五彩缤纷的led 灯具的新款轿车以吸引顾客。随着汽车工业的不断发展，led 必将在未来几年内广泛应用在汽车市场。整体看，汽车用灯led化是车灯发展的一个大趋势，必将是汽车照明系统发展史上的一次飞跃。
ETC大力推广的背后是怎样的
晨日科技与TCL的合作迈出重要一步
MiniLED离大规模商用化仅剩一步之遥?
三运放架构对仪表放大器的制约
Linux开发_BMP图片编程(翻转、添加水印)
浅谈LED在汽车中的应用及其驱动电路的设计
单片机程序框架开发知识总结
中国科学家开发深度强化学习框架：有效率识别复杂网络
华为HMS服务或将在欧洲亮相；佳能推出首款固态化光源投影机；小米10快充带动GaN市场...
ESL和DFM将完全更新EDA市场?
真正意义上的全面屏离我们不远了，甩掉刘海屏是迟早的事
【解决方案】北海银基国际滨海旅游度假中心项目水世界能源管理系统的设计与应用
触摸屏技术的应用前景展望
采用TLV5618和SPCE061A芯片实现轮椅自主避障系统的软硬件设计
麦克斯韦理论：赫兹的电磁波实验
数字示波器通道耦合与触发耦合的区别
基于Android的屏幕水雾手机游戏的设计方案
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IR推出第三代全新SupIRBuck负载点稳压器