在汽車或汽車中，LED已發(fā)展成為照明的首選。無(wú)論是后尾燈還是儀表盤中的指示燈，如下圖 1 所示，如今都集成了LED。其緊湊的尺寸有助于設(shè)計(jì)的多功能性，并提供與車輛預(yù)期壽命本身一樣耐用的期望。

在汽車或汽車中，LED已發(fā)展成為照明的首選。無(wú)論是后尾燈還是儀表盤中的指示燈，如下圖 1 所示，如今都集成了LED。其緊湊的尺寸有助于設(shè)計(jì)的多功能性，并提供與車輛預(yù)期壽命本身一樣耐用的期望。

LED實(shí)際上是一個(gè)P型N型（PN）結(jié)二極管，它允許電流僅在一個(gè)方向上通過(guò)它。一旦 LED 兩端的電壓達(dá)到最小正向電壓（VF），電流就開始流動(dòng)。

LED的照明水平或亮度由正向電流（IF）決定;而 LED 消耗的電流取決于施加在 LED 上的電壓。

盡管LED亮度和正向電流IF是線性相關(guān)的，但即使LED兩端的正向電壓VF略有增加，也會(huì)引發(fā)LED電流攝入的快速增加。

具有不同顏色規(guī)格的 LED 由于其特定的半導(dǎo)體成分而具有不同的 VF 和 IF 規(guī)格（圖2）。有必要考慮每個(gè)LED的數(shù)據(jù)表規(guī)格，特別是在單個(gè)電路中應(yīng)用不同顏色的LED時(shí)。

圖 #2

例如，當(dāng)使用紅綠藍(lán) （RGB） 照明進(jìn)行開發(fā)時(shí)，紅色 LED 的正向電壓額定值可能約為 2 V，而藍(lán)色和綠色 LED 的額定電壓可能在 3 至 4 V左右。

考慮到您采用單個(gè)公共電源操作這些 LED，您可能需要為每個(gè)彩色 LED 配備一個(gè)計(jì)算良好的限流電阻，以避免 LED 劣化。

熱效率和功率效率

除了電源電壓和電流參數(shù)外，溫度和功率效率同樣需要仔細(xì)分析。雖然，施加在LED上的大部分電流被轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ED光，但少量功率在器件的PN結(jié)內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱量。

LED結(jié)上產(chǎn)生的溫度可能會(huì)受到一些外部參數(shù)的嚴(yán)重影響，例如：

通過(guò)大氣溫度（TA），

通過(guò)LED結(jié)和環(huán)境空氣之間的熱阻（RθJA），

以及功耗 （PD）。

以下公式1揭示了LED的功耗規(guī)格PD：

PD =VF × IF ------------方程 #1

借助上述方法，我們可以進(jìn)一步推導(dǎo)出以下計(jì)算LED結(jié)溫（TJ）的方程：

TJ = TA + RθJA × PD ---------- 方程 #2

不僅在正常工作條件下，而且在設(shè)計(jì)的絕對(duì)最高環(huán)境溫度TA下，對(duì)于最壞情況的關(guān)注，確定TJ至關(guān)重要。

隨著LED結(jié)溫TJ的升高，其工作效率下降。LED 的正向電流 IF 和結(jié)溫 TJ 必須保持在數(shù)據(jù)手冊(cè)分類的絕對(duì)最大額定值以下，以防止損壞（圖

3）。

圖 #3

除了LED，您還應(yīng)考慮電阻和驅(qū)動(dòng)元件（如BJT和運(yùn)算放大器）的功率效率，特別是隨著分立元件數(shù)量的增加。

驅(qū)動(dòng)器級(jí)的電源效率不足、LED導(dǎo)通時(shí)間和/或環(huán)境溫度所有這些因素都可能導(dǎo)致器件溫度升高，影響B(tài)JT驅(qū)動(dòng)器的電流輸出，并降低LED的VF降。

隨著溫度的升高降低LED的正向壓降，LED的電流消耗率上升;導(dǎo)致功率耗散PD和溫度成比例增加，這導(dǎo)致LED的正向壓降VF進(jìn)一步降低。

這種溫度持續(xù)上升的循環(huán)，也稱為“熱失控”，迫使LED在最佳工作溫度以上工作，導(dǎo)致快速退化，并在某個(gè)時(shí)候器件發(fā)生故障，因?yàn)橹蓄l消耗水平增加。

線性 LED 驅(qū)動(dòng)器

通過(guò)晶體管或IC線性操作LED實(shí)際上非常方便。在所有可能性中，控制LED的最簡(jiǎn)單方法通常是將其直接連接到電源電壓源（VS）。

使用合適的限流電阻可限制器件的電流消耗，并固定LED的精確壓降。以下公式3可用于計(jì)算串聯(lián)電阻（RS）值：

借助上述方法，我們可以進(jìn)一步推導(dǎo)出以下計(jì)算LED結(jié)溫（TJ）的方程：

TJ = TA + RθJA × PD ---------- 方程 #2

不僅在正常工作條件下，而且在設(shè)計(jì)的絕對(duì)最高環(huán)境溫度TA下，對(duì)于最壞情況的關(guān)注，確定TJ至關(guān)重要。

隨著LED結(jié)溫TJ的升高，其工作效率下降。LED 的正向電流 IF 和結(jié)溫 TJ 必須保持在數(shù)據(jù)手冊(cè)分類的絕對(duì)最大額定值以下，以防止損壞（圖

3）。

圖 #3

除了LED，您還應(yīng)考慮電阻和驅(qū)動(dòng)元件（如BJT和運(yùn)算放大器）的功率效率，特別是隨著分立元件數(shù)量的增加。

驅(qū)動(dòng)器級(jí)的電源效率不足、LED導(dǎo)通時(shí)間和/或環(huán)境溫度所有這些因素都可能導(dǎo)致器件溫度升高，影響B(tài)JT驅(qū)動(dòng)器的電流輸出，并降低LED的VF降。

隨著溫度的升高降低LED的正向壓降，LED的電流消耗率上升;導(dǎo)致功率耗散PD和溫度成比例增加，這導(dǎo)致LED的正向壓降VF進(jìn)一步降低。

這種溫度持續(xù)上升的循環(huán)，也稱為“熱失控”，迫使LED在最佳工作溫度以上工作，導(dǎo)致快速退化，并在某個(gè)時(shí)候器件發(fā)生故障，因?yàn)橹蓄l消耗水平增加。

線性 LED 驅(qū)動(dòng)器

通過(guò)晶體管或IC線性操作LED實(shí)際上非常方便。在所有可能性中，控制LED的最簡(jiǎn)單方法通常是將其直接連接到電源電壓源（VS）。

使用合適的限流電阻可限制器件的電流消耗，并固定LED的精確壓降。以下公式3可用于計(jì)算串聯(lián)電阻（RS）值：

RS = VS - VF / IF ---------- 等式 #3

參考圖 #4，我們看到 3 個(gè) LED 串聯(lián)使用，VF 計(jì)算應(yīng)考慮 3 個(gè) LED 上的整個(gè)壓降 VF（LED 的正向電流 IF 保持不變）。

圖 #4

雖然這可能是最簡(jiǎn)單的LED驅(qū)動(dòng)器配置，但在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中可能非常不切實(shí)際。

電源，尤其是汽車電池，容易受到電壓波動(dòng)的影響。

電源輸入的微小增加會(huì)觸發(fā)LED消耗更多的電流，從而被破壞。

此外，電阻中過(guò)大的功率耗散PD會(huì)增加器件溫度，從而導(dǎo)致熱失控。

面向汽車應(yīng)用的分立式恒流LED驅(qū)動(dòng)器

當(dāng)使用恒流功能時(shí)，它可確保增強(qiáng)的節(jié)能和可靠的布局。由于最普遍的LED操作技術(shù)是通過(guò)開和關(guān)開關(guān)，因此晶體管可實(shí)現(xiàn)良好調(diào)節(jié)的電流供應(yīng)。

圖 #5

參考上面的圖5，根據(jù)LED配置的電壓和電流規(guī)格，可以選擇BJT或MOSFET。與電阻器相比，晶體管易于處理更大的功率，但容易受到電壓上下和溫度變化的影響。例如，當(dāng)BJT周圍的電壓上升時(shí)，其電流也會(huì)成比例增加。

為了保證額外的穩(wěn)定性，可以定制這些BJT或MOSFET電路，以提供恒定電流，盡管電源電壓不平衡。

設(shè)計(jì) LED 電流源

圖6至圖8展示了一些電流源電路圖示。

在圖6中，齊納二極管在晶體管基極產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。

限流電阻RZ確保受控電流，使齊納二極管正常工作。

齊納二極管輸出產(chǎn)生恒定電壓，不受電源電壓波動(dòng)的影響。

發(fā)射極電阻RE上的壓降應(yīng)補(bǔ)充齊納二極管的壓降，因此晶體管調(diào)節(jié)集電極電流;這可確保通過(guò)LED的電流始終保持恒定。

使用運(yùn)算放大器反饋

在下面的圖7中，顯示了具有反饋環(huán)路的運(yùn)算放大器電路，用于構(gòu)建理想的汽車LED控制器電路。反饋連接確保輸出自動(dòng)調(diào)整，以便在負(fù)輸入處產(chǎn)生的電位保持等于其正基準(zhǔn)輸入。

齊納二極管被箝位以在運(yùn)算放大器的同相輸入端產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。如果LED電流超過(guò)預(yù)定值，它會(huì)在檢測(cè)電阻RS上產(chǎn)生成比例的電壓，試圖超過(guò)齊納參考值。

由于這會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算放大器負(fù)反相輸入端的電壓超過(guò)正基準(zhǔn)齊納值，因此迫使運(yùn)算放大器輸出關(guān)閉，從而降低LED電流以及RS兩端的電壓。

這種情況再次將運(yùn)算放大器輸出恢復(fù)為開啟狀態(tài)并激活LED，運(yùn)算放大器的這種自調(diào)節(jié)動(dòng)作繼續(xù)無(wú)限確保LED電流永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)計(jì)算出的不安全水平。

上面的圖 8 顯示了使用幾個(gè) BJT

完成的另一種基于反饋的設(shè)計(jì)。在這里，電流通過(guò)R1流動(dòng)，接通晶體管Q1。電流繼續(xù)通過(guò)R2，固定正確的電流量通過(guò)LED。

如果通過(guò)R2的LED電流試圖超過(guò)預(yù)定值，R2兩端的壓降也會(huì)成比例增加。當(dāng)這個(gè)壓降上升到晶體管Q2的基極到發(fā)射極電壓（Vbe）時(shí)，Q2開始導(dǎo)通。

Q2現(xiàn)在開始通過(guò)R1吸收電流，迫使Q1開始關(guān)閉，并且條件保持自我調(diào)節(jié)通過(guò)LED的電流，確保LED電流永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)不安全的水平。

這種帶反饋環(huán)路的晶體管限流器根據(jù)R2的計(jì)算值保證為L(zhǎng)ED提供恒定電流。在上面的例子中，實(shí)現(xiàn)了BJT，但對(duì)于更高電流的應(yīng)用，在該電路中使用MOSFET也是可行的。

使用集成電路的恒流LED驅(qū)動(dòng)器

這些基本的基于晶體管的構(gòu)建模塊可以很容易地復(fù)制來(lái)操作多個(gè)LED串，如圖9所示。

控制一組 LED 串會(huì)導(dǎo)致元件數(shù)量增加，占用更高的 PCB 空間并消耗更多通用輸入/輸出 （GPIO） 引腳。

而且，這樣的設(shè)計(jì)基本上沒(méi)有亮度控制和故障診斷的考慮，這是大多數(shù)功率LED應(yīng)用的基本需求。

要包括亮度控制和故障診斷等規(guī)格，需要額外數(shù)量的分立元件和額外的設(shè)計(jì)分析程序。

包含更多LED的LED設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致分立電路設(shè)計(jì)包含更多數(shù)量的零件，從而增加電路的復(fù)雜性。

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，應(yīng)用專用IC作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器被認(rèn)為是最有效的。如圖9所示，使用基于IC的LED驅(qū)動(dòng)器可以簡(jiǎn)化圖10所示的許多分立元件。

圖 #10

LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 專為處理 LED 的關(guān)鍵電壓、電流和溫度規(guī)格而設(shè)計(jì)，并可最大限度地減少器件數(shù)量和電路板尺寸。

此外，LED驅(qū)動(dòng)器IC可能具有用于亮度控制和診斷的附加功能，包括過(guò)溫保護(hù)。也就是說(shuō)，使用基于BJT的分立設(shè)計(jì)也可以實(shí)現(xiàn)上述高級(jí)功能，但相對(duì)而言，IC似乎是一種更容易的選擇。

汽車 LED 應(yīng)用的挑戰(zhàn)

在許多汽車LED實(shí)現(xiàn)中，亮度控制成為一種必不可少的問(wèn)題。

由于通過(guò)LED調(diào)節(jié)正向電流IF按比例調(diào)節(jié)亮度水平，因此可以采用模擬設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)果。LED亮度控制的數(shù)字方法是通過(guò)PWM或脈寬調(diào)制。以下詳細(xì)介紹了這兩個(gè)概念，并展示了如何將它們應(yīng)用于汽車LED應(yīng)用

模擬和PWM LED亮度控制之間的差異

圖11評(píng)估了控制LED亮度的模擬和數(shù)字方法之間的主要區(qū)別。

圖 #11

通過(guò)使用模擬LED亮度控制，LED照明通過(guò)流動(dòng)電流的大小來(lái)改變;電流越大，亮度越大，反之亦然。

但是，模擬調(diào)光或亮度控制的質(zhì)量并不令人滿意，特別是在較低的亮度范圍內(nèi)。模擬調(diào)光通常不適用于與顏色相關(guān)的 LED 應(yīng)用，如 RGB

照明或狀態(tài)指示燈;因?yàn)椴煌腎F往往會(huì)影響LED的顏色輸出，導(dǎo)致RGB LED的顏色分辨率較差。

相比之下，基于PWM的LED調(diào)光器不會(huì)改變LED正向電流IF，而是通過(guò)改變LED的ON/OFF開關(guān)速率來(lái)控制強(qiáng)度。然后，平均導(dǎo)通時(shí)間LED電流決定LED上的比例亮度。它也被稱為占空比（脈沖寬度與PWM脈沖間隔的比值）。通過(guò)PWM，更高的占空比會(huì)導(dǎo)致通過(guò)LED的平均電流更高，從而導(dǎo)致更高的亮度，反之亦然。

由于您可以根據(jù)各種照明范圍微調(diào)占空比，因此與模擬調(diào)光相比，PWM 調(diào)光有助于實(shí)現(xiàn)更寬的調(diào)光比。

雖然PWM保證了增強(qiáng)的亮度控制輸出，但它需要更多的設(shè)計(jì)分析。PWM頻率必須比我們的視覺(jué)可以感知的要高得多，否則LED最終可能會(huì)看起來(lái)像在閃爍。此外，PWM調(diào)光電路因產(chǎn)生電磁干擾（EMI）而臭名昭著。

來(lái)自 LED 驅(qū)動(dòng)器的干擾

在EMI控制不足的情況下構(gòu)建的汽車LED驅(qū)動(dòng)器電路可能會(huì)對(duì)其他相鄰的電子軟件產(chǎn)生不利影響，例如在收音機(jī)或類似的敏感音頻設(shè)備中產(chǎn)生嗡嗡聲。

LED驅(qū)動(dòng)器IC當(dāng)然可以為您提供模擬和PWM調(diào)光功能，以及解決EMI問(wèn)題的補(bǔ)充功能，例如可編程壓擺率，或輸出通道相移或群延遲。

為了能夠向汽車用戶提供診斷警報(bào)，車身控制模塊（BCM）中的智能高邊開關(guān)通過(guò)尾燈元件記錄故障，如上圖12所示。

話雖如此，通過(guò)BCM識(shí)別LED故障可能很復(fù)雜。有時(shí)，您可能會(huì)使用相同的BCM板設(shè)計(jì)來(lái)檢測(cè)基于白熾燈泡的標(biāo)準(zhǔn)電路或基于LED的系統(tǒng);因?yàn)榕c白熾燈泡相比，LED電流往往要小得多，因此區(qū)分了邏輯LED負(fù)載。

結(jié)論

如果電流檢測(cè)診斷設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確，則可能難以識(shí)別開路或斷開的負(fù)載。BCM 無(wú)需使用單個(gè)開路 LED 串，而是更容易檢測(cè)到整個(gè) LED

串，以報(bào)告開路負(fù)載情況。一種條件，可確保如果單 LED 出現(xiàn)故障，則可以執(zhí)行全 LED 故障標(biāo)準(zhǔn)，以便在檢測(cè)到單個(gè) LED 故障時(shí)關(guān)閉所有

LED。汽車線性LED驅(qū)動(dòng)器包括允許一個(gè)故障-所有故障反應(yīng)的功能，并且可以識(shí)別多個(gè)IC配置中的公共誤差總線。