汽车LED驱动电路的设计方案

在汽车或汽车中，LED已发展成为照明的首选。无论是后尾灯还是仪表盘中的指示灯，如下图 1 所示，如今都集成了LED。其紧凑的尺寸有助于设计的多功能性，并提供与车辆预期寿命本身一样耐用的期望。

在汽车或汽车中，LED已发展成为照明的首选。无论是后尾灯还是仪表盘中的指示灯，如下图 1 所示，如今都集成了LED。其紧凑的尺寸有助于设计的多功能性，并提供与车辆预期寿命本身一样耐用的期望。

LED实际上是一个P型N型（PN）结二极管，它允许电流仅在一个方向上通过它。一旦 LED 两端的电压达到最小正向电压（VF），电流就开始流动。

LED的照明水平或亮度由正向电流（IF）决定;而 LED 消耗的电流取决于施加在 LED 上的电压。

尽管LED亮度和正向电流IF是线性相关的，但即使LED两端的正向电压VF略有增加，也会引发LED电流摄入的快速增加。

具有不同颜色规格的 LED 由于其特定的半导体成分而具有不同的 VF 和 IF 规格（图2）。有必要考虑每个LED的数据表规格，特别是在单个电路中应用不同颜色的LED时。

图 #2

例如，当使用红绿蓝 （RGB） 照明进行开发时，红色 LED 的正向电压额定值可能约为 2 V，而蓝色和绿色 LED 的额定电压可能在 3 至 4 V左右。

考虑到您采用单个公共电源操作这些 LED，您可能需要为每个彩色 LED 配备一个计算良好的限流电阻，以避免 LED 劣化。

热效率和功率效率

除了电源电压和电流参数外，温度和功率效率同样需要仔细分析。虽然，施加在LED上的大部分电流被转换为LED光，但少量功率在器件的PN结内转化为热量。

LED结上产生的温度可能会受到一些外部参数的严重影响，例如：

通过大气温度（TA），

通过LED结和环境空气之间的热阻（RθJA），

以及功耗 （PD）。

以下公式1揭示了LED的功耗规格PD：

PD =VF × IF ------------方程 #1

借助上述方法，我们可以进一步推导出以下计算LED结温（TJ）的方程：

TJ = TA + RθJA × PD ---------- 方程 #2

不仅在正常工作条件下，而且在设计的绝对最高环境温度TA下，对于最坏情况的关注，确定TJ至关重要。

随着LED结温TJ的升高，其工作效率下降。LED 的正向电流 IF 和结温 TJ 必须保持在数据手册分类的绝对最大额定值以下，以防止损坏（图

3）。

图 #3

除了LED，您还应考虑电阻和驱动元件（如BJT和运算放大器）的功率效率，特别是随着分立元件数量的增加。

驱动器级的电源效率不足、LED导通时间和/或环境温度所有这些因素都可能导致器件温度升高，影响BJT驱动器的电流输出，并降低LED的VF降。

随着温度的升高降低LED的正向压降，LED的电流消耗率上升;导致功率耗散PD和温度成比例增加，这导致LED的正向压降VF进一步降低。

这种温度持续上升的循环，也称为“热失控”，迫使LED在最佳工作温度以上工作，导致快速退化，并在某个时候器件发生故障，因为中频消耗水平增加。

线性 LED 驱动器

通过晶体管或IC线性操作LED实际上非常方便。在所有可能性中，控制LED的最简单方法通常是将其直接连接到电源电压源（VS）。

使用合适的限流电阻可限制器件的电流消耗，并固定LED的精确压降。以下公式3可用于计算串联电阻（RS）值：

借助上述方法，我们可以进一步推导出以下计算LED结温（TJ）的方程：

TJ = TA + RθJA × PD ---------- 方程 #2

不仅在正常工作条件下，而且在设计的绝对最高环境温度TA下，对于最坏情况的关注，确定TJ至关重要。

随着LED结温TJ的升高，其工作效率下降。LED 的正向电流 IF 和结温 TJ 必须保持在数据手册分类的绝对最大额定值以下，以防止损坏（图

3）。

图 #3

除了LED，您还应考虑电阻和驱动元件（如BJT和运算放大器）的功率效率，特别是随着分立元件数量的增加。

驱动器级的电源效率不足、LED导通时间和/或环境温度所有这些因素都可能导致器件温度升高，影响BJT驱动器的电流输出，并降低LED的VF降。

随着温度的升高降低LED的正向压降，LED的电流消耗率上升;导致功率耗散PD和温度成比例增加，这导致LED的正向压降VF进一步降低。

这种温度持续上升的循环，也称为“热失控”，迫使LED在最佳工作温度以上工作，导致快速退化，并在某个时候器件发生故障，因为中频消耗水平增加。

线性 LED 驱动器

通过晶体管或IC线性操作LED实际上非常方便。在所有可能性中，控制LED的最简单方法通常是将其直接连接到电源电压源（VS）。

使用合适的限流电阻可限制器件的电流消耗，并固定LED的精确压降。以下公式3可用于计算串联电阻（RS）值：

RS = VS - VF / IF ---------- 等式 #3

参考图 #4，我们看到 3 个 LED 串联使用，VF 计算应考虑 3 个 LED 上的整个压降 VF（LED 的正向电流 IF 保持不变）。

图 #4

虽然这可能是最简单的LED驱动器配置，但在实际实现中可能非常不切实际。

电源，尤其是汽车电池，容易受到电压波动的影响。

电源输入的微小增加会触发LED消耗更多的电流，从而被破坏。

此外，电阻中过大的功率耗散PD会增加器件温度，从而导致热失控。

面向汽车应用的分立式恒流LED驱动器

当使用恒流功能时，它可确保增强的节能和可靠的布局。由于最普遍的LED操作技术是通过开和关开关，因此晶体管可实现良好调节的电流供应。

图 #5

参考上面的图5，根据LED配置的电压和电流规格，可以选择BJT或MOSFET。与电阻器相比，晶体管易于处理更大的功率，但容易受到电压上下和温度变化的影响。例如，当BJT周围的电压上升时，其电流也会成比例增加。

为了保证额外的稳定性，可以定制这些BJT或MOSFET电路，以提供恒定电流，尽管电源电压不平衡。

设计 LED 电流源

图6至图8展示了一些电流源电路图示。

在图6中，齐纳二极管在晶体管基极产生稳定的输出电压。

限流电阻RZ确保受控电流，使齐纳二极管正常工作。

齐纳二极管输出产生恒定电压，不受电源电压波动的影响。

发射极电阻RE上的压降应补充齐纳二极管的压降，因此晶体管调节集电极电流;这可确保通过LED的电流始终保持恒定。

使用运算放大器反馈

在下面的图7中，显示了具有反馈环路的运算放大器电路，用于构建理想的汽车LED控制器电路。反馈连接确保输出自动调整，以便在负输入处产生的电位保持等于其正基准输入。

齐纳二极管被箝位以在运算放大器的同相输入端产生基准电压。如果LED电流超过预定值，它会在检测电阻RS上产生成比例的电压，试图超过齐纳参考值。

由于这会导致运算放大器负反相输入端的电压超过正基准齐纳值，因此迫使运算放大器输出关闭，从而降低LED电流以及RS两端的电压。

这种情况再次将运算放大器输出恢复为开启状态并激活LED，运算放大器的这种自调节动作继续无限确保LED电流永远不会超过计算出的不安全水平。

上面的图 8 显示了使用几个 BJT

完成的另一种基于反馈的设计。在这里，电流通过R1流动，接通晶体管Q1。电流继续通过R2，固定正确的电流量通过LED。

如果通过R2的LED电流试图超过预定值，R2两端的压降也会成比例增加。当这个压降上升到晶体管Q2的基极到发射极电压（Vbe）时，Q2开始导通。

Q2现在开始通过R1吸收电流，迫使Q1开始关闭，并且条件保持自我调节通过LED的电流，确保LED电流永远不会超过不安全的水平。

这种带反馈环路的晶体管限流器根据R2的计算值保证为LED提供恒定电流。在上面的例子中，实现了BJT，但对于更高电流的应用，在该电路中使用MOSFET也是可行的。

使用集成电路的恒流LED驱动器

这些基本的基于晶体管的构建模块可以很容易地复制来操作多个LED串，如图9所示。

控制一组 LED 串会导致元件数量增加，占用更高的 PCB 空间并消耗更多通用输入/输出 （GPIO） 引脚。

而且，这样的设计基本上没有亮度控制和故障诊断的考虑，这是大多数功率LED应用的基本需求。

要包括亮度控制和故障诊断等规格，需要额外数量的分立元件和额外的设计分析程序。

包含更多LED的LED设计会导致分立电路设计包含更多数量的零件，从而增加电路的复杂性。

为了简化设计过程，应用专用IC作为LED驱动器被认为是最有效的。如图9所示，使用基于IC的LED驱动器可以简化图10所示的许多分立元件。

图 #10

LED 驱动器 IC 专为处理 LED 的关键电压、电流和温度规格而设计，并可最大限度地减少器件数量和电路板尺寸。

此外，LED驱动器IC可能具有用于亮度控制和诊断的附加功能，包括过温保护。也就是说，使用基于BJT的分立设计也可以实现上述高级功能，但相对而言，IC似乎是一种更容易的选择。

汽车 LED 应用的挑战

在许多汽车LED实现中，亮度控制成为一种必不可少的问题。

由于通过LED调节正向电流IF按比例调节亮度水平，因此可以采用模拟设计来实现结果。LED亮度控制的数字方法是通过PWM或脉宽调制。以下详细介绍了这两个概念，并展示了如何将它们应用于汽车LED应用

模拟和PWM LED亮度控制之间的差异

图11评估了控制LED亮度的模拟和数字方法之间的主要区别。

图 #11

通过使用模拟LED亮度控制，LED照明通过流动电流的大小来改变;电流越大，亮度越大，反之亦然。

但是，模拟调光或亮度控制的质量并不令人满意，特别是在较低的亮度范围内。模拟调光通常不适用于与颜色相关的 LED 应用，如 RGB

照明或状态指示灯;因为不同的IF往往会影响LED的颜色输出，导致RGB LED的颜色分辨率较差。

相比之下，基于PWM的LED调光器不会改变LED正向电流IF，而是通过改变LED的ON/OFF开关速率来控制强度。然后，平均导通时间LED电流决定LED上的比例亮度。它也被称为占空比（脉冲宽度与PWM脉冲间隔的比值）。通过PWM，更高的占空比会导致通过LED的平均电流更高，从而导致更高的亮度，反之亦然。

由于您可以根据各种照明范围微调占空比，因此与模拟调光相比，PWM 调光有助于实现更宽的调光比。

虽然PWM保证了增强的亮度控制输出，但它需要更多的设计分析。PWM频率必须比我们的视觉可以感知的要高得多，否则LED最终可能会看起来像在闪烁。此外，PWM调光电路因产生电磁干扰（EMI）而臭名昭著。

来自 LED 驱动器的干扰

在EMI控制不足的情况下构建的汽车LED驱动器电路可能会对其他相邻的电子软件产生不利影响，例如在收音机或类似的敏感音频设备中产生嗡嗡声。

LED驱动器IC当然可以为您提供模拟和PWM调光功能，以及解决EMI问题的补充功能，例如可编程压摆率，或输出通道相移或群延迟。

为了能够向汽车用户提供诊断警报，车身控制模块（BCM）中的智能高边开关通过尾灯元件记录故障，如上图12所示。

话虽如此，通过BCM识别LED故障可能很复杂。有时，您可能会使用相同的BCM板设计来检测基于白炽灯泡的标准电路或基于LED的系统;因为与白炽灯泡相比，LED电流往往要小得多，因此区分了逻辑LED负载。

结论

如果电流检测诊断设计不准确，则可能难以识别开路或断开的负载。BCM 无需使用单个开路 LED 串，而是更容易检测到整个 LED

串，以报告开路负载情况。一种条件，可确保如果单 LED 出现故障，则可以执行全 LED 故障标准，以便在检测到单个 LED 故障时关闭所有

LED。汽车线性LED驱动器包括允许一个故障-所有故障反应的功能，并且可以识别多个IC配置中的公共误差总线。