LED汽车前照灯驱动电路设计与仿真

摘要：随着大功率LED性价比的提高，输出光流量的增加，使LED应用在汽车前照灯成为可能。在输入电压在10～14 V之间变化，负载采用8颗700 mA大功率白光LED的条件下确定驱动方式、拓扑结构和调光方式，设计一种基于LTC3783芯片PWM控制LED亮度的恒流LED汽车前照灯驱动电路，并用LTspiceIV软件对电路进行了仿真。结果表明，输入电压在10～14 V变化时输出电流为一个710 mA均值，有0．7％纹波的电流，电流精度为2．1％，输出电压为28．6 V，输出功率为20 W，电路转换效率为91％。有PWM信号输入时，电路输出一个与PWM信号相同占空比的电流。通过调节PWM信号的占空比实现LED亮度的控制。
关键词：汽车前照灯：大功率LED；脉宽调制：LTSPiceIV

0 引言
    有统计表明，90％的交通事故是由于人的因素造成的，危险来源于复杂的交通状况，包括不合理信息、缺少信息以及过度紧张等。为了有效地减少盲区，避免眩光，提高夜间行车的安全性，一些著名汽车公司提出了先进前照灯系统或自适应前照系统(AFS)的概念，其特点是车辆前灯能主动调整照明光轴方向，自动适应夜间行车环境(包括迎面车辆、弯道坡度、高速公路、城市街区等情况)的变化。近年来，高亮度LED的发展很快，汽车前照系统中采用高亮度或超高亮度LED将是一种发展趋势。目前，已有1 201 m超高亮度LED的报道，8个超高亮度LED就能产生10 001 m的光强。LED光源除了显而易见的寿命长，结构坚固，功耗低等优点外，其固有的体积小，设计更灵便，反应快，控制更容易等特点，使它在汽车自适应前照系统中的应用有较大的潜在优势。
    汽车电气是酸铅蓄电池供电的，典型值为12 V，但实际电压在12 V左右不断变化。如何利用电压值低且不断变化的汽车电源设计一种电流精度高，亮度可调，低功耗的驱动电路是制造LED汽车前照灯的关键技术。本文在输入电压为汽车电源电压，负载采用8颗700 mA大功率白光LED的条件下设计一种基于LTC3783芯片PWM控制LED亮度的恒流LED汽车前照灯驱动电路，输出电流稳定、精度高、电路转换效率高。

1 LED发光特性及驱动类型的选择
1．1 LED发光特性
    由于LED本质上就是能发光的二极管，只不过门槛电压和导通压降要更大，它的动态阻抗相对较小，较小的电压变化就能导致较大的电流变化，其工作电流与导通压降呈指数式的变化规律，如下式所示：
   
    式中：Is为反向饱和电流；If为正向工作电流，指LED正常发光时的正向电流值。
    LED是电流型器件，发光亮度与工作电流有关，。其中：m近似等于1；K为比例系数。当电流增大时，发光亮度呈正比增大。为保持同等的光输出，LED驱动电源应该控制通过LED的电流大小不变，即用恒流源驱动LED。
   该设计中的负载采用8个Luxeon公司型号为LXML-PWC1-0120的LED串联。LED规格参数如表1所示。

1．2 驱动类型的选择
1．2．1 驱动方式
    LED驱动方式可分为恒压源驱动和恒流源驱动。恒压源驱动的负载一般采用LED多支路并联，每个支路都要串连一个有一定阻值的镇流电阻，要求高电流输出时，电路的转化效率较低。由于LED是电流型器件，即使电压发生微小的变化也可引起电流的大幅度变动，恒压源驱动将影响到LED的发光质量和稳定性；恒流源驱动能控制输出电流稳定，LED发光质量好，一般采用串联连接，只有一个小阻值的检测电阻，效率相对较高，适用于汽车前照灯LED驱动上。恒流源串联驱动时，一般每个LED并联一个稳压管，防止某个LED烧坏导致整个电路开路。
1．2．2 拓扑结构
    LED驱动电路可分为线性稳压器电路和开关型变换器电路。线性稳压驱动电路虽然比较简单，但是在芯片和限流电阻上的功耗比较大，效率非常低。开关型变换器驱动又分为电荷泵驱动和电感式驱动。电荷泵驱动器是利用电容将电流从输入端传到输出端，整个方案不需要电感，具有体积小，设计简单的优点，但它只能提供有限的输出电压范围，不适用于多个大功率LED串联。所以设计中采用了电感式升压驱动。在图1电路中，当MOSFET管M1导通时，电感电流增加，开始储能，LED开始发光，续流二极管由于承受反向电压关闭。当MOSFET管M1关断时，电感电流减少，开始释放能量，通过肖特基二极管续流。
1．2．3 调光方式
    在汽车前照灯系统中，通过控制LED的亮度可以实现近光和远光的转换，而在自适应前照灯系统中调节LED亮度配合LED阵列不同位置LED的亮灭可实现照射光束不同的照明距离和偏转角度，适应不同的路况信息。当输入电压值有波动时，LED的电流也随着波动，通过电流反馈，可以进行调光控制保证流过LED的电流不变。另外LED亮度调节还可以应用在热调节电路上，代替传统的体积大的散热片装置。能够准确，高效地实现LED调光也是驱动电路考虑的重要因素之一。

    通常情况下，可采用外部SET电阻、线性调节和PWM调节等技术来控制LED的亮度。在LED驱动器外部使用SET电阻的方式缺乏灵活性，无法进行动态调节。线性调节可动态控制LED的亮度，但会降低LED的效率，并引起白光LED朝向黄色光谱的色彩偏移。相比较而言，PWM调节技术的优势十分明显，当PWM脉冲为有效高电平或低电平时，LED输入电流分别为最大或0，其导通时间受控于PWM引脚输入脉冲的占空比。由于LED始终工作于相同的电流条件下，通过施加一个PWM信号来控制LED亮度的做法，可以在不改变颜色的情况下实现对LED亮度的动态调节。
    为保证PWM调光不被人眼察觉，PWM调光频率一般要大于100 Hz，但过高的频率会增加MOSFET的动态损耗。该设计中取PWM调光频率为120 Hz。 [p]
1．2．4 设计规格
    表2所示为本文LED恒流驱动电路的设计规格。

2 驱动主电路设计
2．1 电路组成
    该电路主要由LTC3783，MOSFET管M1、M2，电感L1，续流二极管D9，检测电阻R9，输出电容C4大功率LED串组成的升压型电感式电流控制模式驱动电路。主电路如图2所示，LTC3783是凌特公司推出的电流模式多拓扑转换器PWM调光范围的大功率LED驱动器，应用范围包括电信、汽车和工业控制系统中的高压LED阵列、背光照明以及稳压器。

    通过改变芯片FREQ引脚外接电阻的大小来决定芯片的高频控制信号频率f，GATE引脚输出一个峰值为7 V的脉冲信号，它是PWMIN引脚接收的PWM控制脉冲和芯片LTC3783高频控制输出脉冲的与。GATE引脚驱动MOSFET管M1，控制功率MOSFET管M1的通断，引起流过电感L1电流的变化，产生一个压降，它与输入电压的和为输出电压。PWMOUT引脚输出一个与PWMIN引脚相同的PWM控制脉冲信号，驱动MOSFET管M2，PWM脉冲的占空比决定LED串电流的占空比，进而控制LED串的亮度。FBN引脚接受检测电阻R9反馈的电压信号，当输出电流因输入电压发生变化时，调整电路占空比，保持输出电流恒定。
2．2 主要参数的计算
2．2．1 开关频率f的选取
    PWM控制脉冲信号与芯片高频开关控制信号如图3所示，可以看出两者有如下关系：
   

    采用PWM控制LED亮度时，一般为了避免让人觉察，控制脉冲的频率选择fPWM=120 Hz。每个控制脉冲高电平至少要包含2个芯片高频开关脉冲，即N>2。为了达到数字化实现DPWM为1：3 000的调光比，选择芯片频率f为1 MHz。而芯片开关频率是由连接在芯片FREQ上的电阻R2决定的。f与R2的关系如图4所示，该设计中选择R2=6 kΩ。 [p]
2．2．2 计算电路占空比D
   电路最大占空比计算公式为；
  
   式中：VOUT为输出电压；VIN(MIN)为最小输入电压；VD为二极管D4的正向压降V。最小输入电压为10 V，输出电压为28．6 V，二极管正向压降为0．4 V，由式(3)计算得到最大占空比为59％。LTC3783允许的最大占空比可以达到90 ％。
2．2．3 计算最大输入电流
    计算最大输入电流的目的是为了计算其他元件的额定值，输入电流计算公式为：
   
    式中：χ／2表示纹波电流与平均电流的比值。这里取χ=Iout×20％=700 mA；DMAX为59％；算得最大输入电流为1．8 A。
2．2．4 输入电感L1的计算
    经过电感L1的纹波电流为：
   
    算得L=12μH。
2．2．5 输出电容C4的计算
    输出电容主要是减少输出电流的纹波。LED上流过电流的纹波对LED的光效和光衰有重要影响，在一定的平均电流下，纹波越大，则有效值越大，转化成的热量越多，光效越低，光衰越厉害，寿命越短。所以对LED来说，较好的驱动电流是纹波很小的直流电流。
    假设纹波电压不超过输出电压的1％，有：
   
    电容越大纹波电流越小，考虑成本因素，取式(7)计算得到的输出电容最小值为5 μF。为防止产生过多的热量，输出电容应选取低ESR值，高耐压的陶瓷电容。

3 MOSFET管、续流二极管的选取
    MOSFET管漏端电压为输出电压等于28．6 V，假设用高于额定电压的30 ％来计算漏极峰值电压，那么MOSFET管漏极的最大电压为38 V。流过MOSFET管M1的最大电流IIN(MAX)为1．8 A，M2的最大电流为700 mA左右，一般选取实际电流的3倍为MOSFET管的额定电流。所以选取耐压值为60 V，最大正向电流为7．5 A，内阻为11 mΩ的N沟道MOSFET管，型号为SI4470EY。
    D9的电压与MOSFET管M1的电压相同，最大电压为38 V，流过D9的电流等于负载输出电流700 mA，所以选择耐压值为40 V，最大正向电流为1．16 A的肖特基二极管，型号为ZETEX ZLLS1000。

4 仿真结果
    用LTspiceIV软件对电路进行仿真。图5是输入电压分别为10 V，12 V，14 V，无PWM调光时负载LED随时间变化的输出电流值。图5可以看出，随着输入电压发生变化，电路的占空比发生变化，输出电流基本不变。电流稳定后测得电流在705～715 mA之间变化，即驱动电路输出一个均值为710 mA，有0．7％纹波的电流。电流精度为：
   
    式中IOUT(MAX)为实际输出电流最大值；IP为设定的输出电流。
    图6为PWM调光时，PWM波形和MOSFET漏极电压波形图，可以看出功率管MOSFET的输入信号是PWM输出信号和LTC3783高频开关控制输出信号的与，两个信号的占空比都可以调节输出电流的大小。

[p]
    图7为PWM调光时控制脉冲占空比分别为20％，50％，80％时实际的输出电流。实际输出电流与PWM脉冲的占空比相同，进而实现LED亮度的调节。

    为计算电路的转换效率，测得驱动电路的输入电压、输入电流、输出电压和输出电流的值如图8所示。可以看出输入电压VIN为12 V，输入电流IIN为1．86 A，输出电压VOUT为28．6 V，输出电流IOUT为710 mA，因此电路转换效率为：
   

5 结语
    本文基于凌特公司的LTC3783芯片，设计了用于汽车前照灯的8个大功率白色LED串驱动电路。仿真结果表明，在输入电压在10～14 V时，输出电流为一个均值，大小710 mA，有0．7％纹波的电流，电流精度为2．1％，输出电压为28．6 V，输出功率为20 W，电路转换效率为91％。驱动电路同时具有PWM调光的功能，输出一个与PWM信号占空比相同的电流。本文设计的LED驱动电路具有恒流精度高，输出功率大，转
换效率高，亮度可调的特点。