如何利用芯片器件设计汽车LED照明系统？有哪些解决方案？

LED(Light Emitting Diode)，发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。近年来，其应用领域不断拓宽，从传统的便携设备背光向中大尺寸LCD显示器/液晶电视背光、汽车及通用照明等领域不断迈进。本文将专门介绍适合于汽车照明应用的各种LED驱动器方案，并探讨一些典型应用。

1 LED为汽车照明应用提供众多优势

LED在汽车中的应用领域非常广泛，但可以简单归纳为内部照明及外部照明(参见图1)。外部照明有如前照灯、尾部照明等，内部照明包括内部便利及舒适照明和仪表盘背光等。

推动汽车LED照明应用的因素很多。以前照灯为例，采用LED作为光源拥有众多优势：

1.1 利于灵活或新颖的造型设计

LED物理尺寸很小，能用于开发极紧凑、极薄的模块。与卤素灯和氙气灯相比，多串LED模块需要更小、更简单的透镜和光扩散片硬件。且多个LED光源的光更易于导向，大大减轻工程设计对造型的影响。

1.2 光强度及能效不断提升

LED光强度处于极快的提升曲线上，呈现出每18至24个月光通量将会翻一番的趋势。LED光输出已经超过卤素灯，未来LED实际光效性能还将能氙气灯相匹敌。

1.3 高可靠性及长寿命

只要为LED前照灯模块进行有效的热管理以保持较低的结温，并保护其免受开关导通/关闭、调光期间可能出现的电流尖峰和电池脉冲的影响，期望它们在汽车整个寿命周期内持续使用就并非不切实际。

1.4 显着节能

与其它方案相比，LED前照灯使用的燃料/能源要少得多。使用高能效智能电源技术/芯片，而非需多个外部元件的一般IC，可以更节能。

因此，LED在汽车照明中的应用日渐增多，且被众多汽车制造商当作设计卖点。

2 应用于汽车照明的LED驱动器方案比较

LED在汽车照明中的应用多种多样，不同应用对LED电流的要求又各不相同，故需要结合具体应用要求，选择适合的LED驱动器方案。

LED驱动方案的一项主要功能是在多种工作条件下稳流，而不论输入条件如何及正向电压如何变化。驱动方案必须符合能效、外形因数、成本及安全性方面的应用要求。同时，所选方案必须易用及足够强固，从而适应特定应用的严格环境。

汽车应用中的典型LED驱动器方案包括电阻、线性LED驱动器、开关LED驱动器及创新的照明管理LED驱动器等。一般而言，根据应用中LED电流大小的不同，在20到200 mA的低电流应用中，可以选用分立元件(即电阻)或线性驱动方案;在200至500 mA的中等电流应用中，可以选用线性或开关驱动器方案;而在大于500 mA的大电流应用中，一般选择开关驱动器方案。

实际上，电阻是最简单、最低成本的LED限流方案，但是它们并不“稳流”，只是在LED正向电压变化及输入电源电压变化并导致电流变化从而引起LED亮度变异时，简单地限制LED最大电流。虽然这种方案的成本低，但能效也最低，且存在着LED筛选成本及热失控等问题。

CCR是一种比电阻方案性能更高但成本又低于线性驱动器或开关驱动器的方案，适合于电流小于200 mA的低电流LED照明应用。CCR廉价并强固，在宽电压范围下提供恒定亮度，在输入电压较高时保护LED免受过驱动，且在低电池电压条件下仍提供较高亮度。这种方案能够减少或消除LED筛选产生的库存，使方案总成本更低。CCR最大工作电压达50 V，能够承受电池负载突降。CCR提供SOD123、SOT123及DPAK等不同封装，能在严格热环境下工作(125℃)，负温度系数特性在高环境温度条件下保护器件本身及LED。此外，CCR不产生电磁干扰，易于设计。

LED是一种高效环保的新型半导体光源，有其它光源无法比拟的优势。在未来汽车照明应用中前景光明。LED 可以用串联、并联等不同的方式组合成LED 阵列，以满足汽车照明强度的要求。针对LED 的发光特性，重点讨论了LED 驱动的设计及特点，同时简述了LED 目前存在的问题及解决方法。

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。

汽车照明的各个部分都可以采用LED，从前灯到雾灯，仪表背光到反光镜的照明、尾灯照明、内饰照明等，安森美提供一系列的标准照明模拟产品，如NCV3065和分立器件如NSI45系列，以及收购AMIS获得的一系列产品如ASSP等，为不同的照明子系统提供专业的汽车级照明解决方案。

随着汽车工业的发展，越来越先进的照明技木在汽车上正得到更多应用。其中，LED照明具有卤素灯和氙气灯无法比拟的优点，如寿命长、响应时间快、节能环保等，加快了在汽车照明中大量采用的步伐。

对此安森美半导体为汽车前照灯照明应用提供宽广阵容的产品，从一般灯泡驱动器方案到步进驱动器、LED驱动器和氙灯驱动器等，持续致力于汽车前照灯、仪表盘背光、内部照明、车门照明及尾灯等汽车照明应用提供包括标准及定制产品在内的丰富方案，尤其是在前照灯调整、偏转用氙气灯驱动专用集成电路和成为事实标准的步进驱动器方面市场。

各类型产品特征及整体解决方案

安森美线性稳压器针对低电路的应用，比如20mA的LED，它的总功耗比较低，可以在85度的环境下工作，系统集成度比较低，如NSI45系列的CCR或NUD系列就可以满足这类的要求;

对于开关稳压器，它的特征是LED功率会比较高，能达到700mA左右，属于中高等的总功耗，可以在高125度的环境下工作，它的系统集成度也比较低，可以用NCV3056/66系列实现对它的控制;

对于照明管理集成芯片，它的功率也比较大，环境温度也可以达到125度，是一个完整独立的子系统，所以集成度会比较高， NCV78663和NCV7680就是针对这种应用使用的。