0引言
有統(tǒng)計表明，90％的交通事故是由于人的因素造成的,，危險來源于復雜的交通狀況,，包括不合理信息、缺少信息以及過度緊張等,。為了有效地減少盲區(qū),，避免眩光，提高夜間行車的安全性,，一些著名汽車公司提出了先進前照燈系統(tǒng)或自適應前照系統(tǒng)(AFS)的概念,，其特點是車輛前燈能主動調整照明光軸方向，自動適應夜間行車環(huán)境(包括迎面車輛、彎道坡度,、高速公路,、城市街區(qū)等情況)的變化。近年來,，高亮度LED的發(fā)展很快，汽車前照系統(tǒng)中采用高亮度或超高亮度LED將是一種發(fā)展趨勢,。目前,，已有1201m超高亮度LED的報道，8個超高亮度LED就能產生10001m的光強,。LED光源除了顯而易見的壽命長,，結構堅固，功耗低等優(yōu)點外,，其固有的體積小,，設計更靈便，反應快,，控制更容易等特點,，使它在汽車自適應前照系統(tǒng)中的應用有較大的潛在優(yōu)勢。
汽車電氣是酸鉛蓄電池供電的,，典型值為12V,，但實際電壓在12V左右不斷變化。如何利用電壓值低且不斷變化的汽車電源設計一種電流精度高,，亮度可調,，低功耗的驅動電路是制造LED汽車前照燈的關鍵技術。本文在輸入電壓為汽車電源電壓,，負載采用8顆700mA大功率白光LED的條件下設計一種基于LTC3783芯片PWM控制LED亮度的恒流LED汽車前照燈驅動電路,，輸出電流穩(wěn)定、精度高,、電路轉換效率高,。
1LED發(fā)光特性及驅動類型的選擇
1．1LED發(fā)光特性
由于LED本質上就是能發(fā)光的二極管，只不過門檻電壓和導通壓降要更大,，它的動態(tài)阻抗相對較小,，較小的電壓變化就能導致較大的電流變化，其工作電流與導通壓降呈指數式的變化規(guī)律,，如下式所示：
式中：Is為反向飽和電流,；If為正向工作電流，指LED正常發(fā)光時的正向電流值,。
LED是電流型器件,，發(fā)光亮度與工作電流有關，
。其中：m近似等于1,；K為比例系數,。當電流增大時，發(fā)光亮度呈正比增大,。為保持同等的光輸出,，LED驅動電源應該控制通過LED的電流大小不變，即用恒流源驅動LED,。
該設計中的負載采用8個Luxeon公司型號為LXML-PWC1-0120的LED串聯,。LED規(guī)格參數如表1所示。
1．2驅動類型的選擇
1．2．1驅動方式
LED驅動方式可分為恒壓源驅動和恒流源驅動,。恒壓源驅動的負載一般采用LED多支路并聯,，每個支路都要串連一個有一定阻值的鎮(zhèn)流電阻，要求高電流輸出時,，電路的轉化效率較低,。由于LED是電流型器件，即使電壓發(fā)生微小的變化也可引起電流的大幅度變動,，恒壓源驅動將影響到LED的發(fā)光質量和穩(wěn)定性,；恒流源驅動能控制輸出電流穩(wěn)定，LED發(fā)光質量好,，一般采用串聯連接,，只有一個小阻值的檢測電阻，效率相對較高,，適用于汽車前照燈LED驅動上,。恒流源串聯驅動時，一般每個LED并聯一個穩(wěn)壓管,，防止某個LED燒壞導致整個電路開路,。
1．2．2拓撲結構
LED驅動電路可分為線性穩(wěn)壓器電路和開關型變換器電路。線性穩(wěn)壓驅動電路雖然比較簡單,，但是在芯片和限流電阻上的功耗比較大,，效率非常低。開關型變換器驅動又分為電荷泵驅動和電感式驅動,。電荷泵驅動器是利用電容將電流從輸入端傳到輸出端,，整個方案不需要電感，具有體積小,，設計簡單的優(yōu)點,，但它只能提供有限的輸出電壓范圍，不適用于多個大功率LED串聯,。所以設計中采用了電感式升壓驅動,。在圖1電路中，當MOSFET管M1導通時，電感電流增加,，開始儲能,，LED開始發(fā)光，續(xù)流二極管由于承受反向電壓關閉,。當MOSFET管M1關斷時,，電感電流減少，開始釋放能量,，通過肖特基二極管續(xù)流,。
1．2．3調光方式
在汽車前照燈系統(tǒng)中，通過控制LED的亮度可以實現近光和遠光的轉換,，而在自適應前照燈系統(tǒng)中調節(jié)LED亮度配合LED陣列不同位置LED的亮滅可實現照射光束不同的照明距離和偏轉角度，適應不同的路況信息,。當輸入電壓值有波動時,，LED的電流也隨著波動，通過電流反饋,，可以進行調光控制保證流過LED的電流不變,。另外LED亮度調節(jié)還可以應用在熱調節(jié)電路上，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的體積大的散熱片裝置,。能夠準確,，高效地實現LED調光也是驅動電路考慮的重要因素之一。
通常情況下,，可采用外部SET電阻,、線性調節(jié)和PWM調節(jié)等技術來控制LED的亮度。在LED驅動器外部使用SET電阻的方式缺乏靈活性,，無法進行動態(tài)調節(jié),。線性調節(jié)可動態(tài)控制LED的亮度，但會降低LED的效率,，并引起白光LED朝向黃色光譜的色彩偏移,。相比較而言，PWM調節(jié)技術的優(yōu)勢十分明顯,，當PWM脈沖為有效高電平或低電平時,，LED輸入電流分別為最大或0，其導通時間受控于PWM引腳輸入脈沖的占空比,。由于LED始終工作于相同的電流條件下,，通過施加一個PWM信號來控制LED亮度的做法，可以在不改變顏色的情況下實現對LED亮度的動態(tài)調節(jié),。
為保證PWM調光不被人眼察覺,，PWM調光頻率一般要大于100Hz，但過高的頻率會增加MOSFET的動態(tài)損耗。該設計中取PWM調光頻率為120Hz,。
1．2．4設計規(guī)格
表2所示為本文LED恒流驅動電路的設計規(guī)格,。
2驅動主電路設計
2．1電路組成
該電路主要由LTC3783，MOSFET管M1,、M2,，電感L1，續(xù)流二極管D9,，檢測電阻R9,，輸出電容C4大功率LED串組成的升壓型電感式電流控制模式驅動電路。主電路如圖2所示,，LTC3783是凌特公司推出的電流模式多拓撲轉換器PWM調光范圍的大功率LED驅動器,，應用范圍包括電信、汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)中的高壓LED陣列,、背光照明以及穩(wěn)壓器,。
通過改變芯片FREQ引腳外接電阻的大小來決定芯片的高頻控制信號頻率f，GATE引腳輸出一個峰值為7V的脈沖信號,，它是PWMIN引腳接收的PWM控制脈沖和芯片LTC3783高頻控制輸出脈沖的與,。GATE引腳驅動MOSFET管M1，控制功率MOSFET管M1的通斷,，引起流過電感L1電流的變化,，產生一個壓降，它與輸入電壓的和為輸出電壓,。PWMOUT引腳輸出一個與PWMIN引腳相同的PWM控制脈沖信號,，驅動MOSFET管M2，PWM脈沖的占空比決定LED串電流的占空比,，進而控制LED串的亮度,。FBN引腳接受檢測電阻R9反饋的電壓信號，當輸出電流因輸入電壓發(fā)生變化時,，調整電路占空比,，保持輸出電流恒定。
2．2主要參數的計算
2．2．1開關頻率f的選取
PWM控制脈沖信號與芯片高頻開關控制信號如圖3所示,，可以看出兩者有如下關系：
采用PWM控制LED亮度時,，一般為了避免讓人覺察，控制脈沖的頻率選擇fPWM=120Hz,。每個控制脈沖高電平至少要包含2個芯片高頻開關脈沖,，即N>2。為了達到數字化實現DPWM為1：3000的調光比,，選擇芯片頻率f為1MHz,。而芯片開關頻率是由連接在芯片FREQ上的電阻R2決定的,。f與R2的關系如圖4所示，該設計中選擇R2=6kΩ,。
2．2．2計算電路占空比D
電路最大占空比計算公式為,；
式中：VOUT為輸出電壓；VIN(MIN)為最小輸入電壓,；VD為二極管D4的正向壓降V,。最小輸入電壓為10V，輸出電壓為28．6V,，二極管正向壓降為0．4V,，由式(3)計算得到最大占空比為59％。LTC3783允許的最大占空比可以達到90％,。
2．2．3計算最大輸入電流
計算最大輸入電流的目的是為了計算其他元件的額定值,，輸入電流計算公式為：
式中：χ／2表示紋波電流與平均電流的比值。這里取χ=Iout×20％=700mA,；DMAX為59％,；算得最大輸入電流為1．8A。
2．2．4輸入電感L1的計算
經過電感L1的紋波電流為：
算得L=12μH,。
2．2．5輸出電容C4的計算
輸出電容主要是減少輸出電流的紋波。LED上流過電流的紋波對LED的光效和光衰有重要影響,，在一定的平均電流下,，紋波越大，則有效值越大,，轉化成的熱量越多,，光效越低，光衰越厲害,，壽命越短,。所以對LED來說，較好的驅動電流是紋波很小的直流電流,。
假設紋波電壓不超過輸出電壓的1％,，有：
電容越大紋波電流越小，考慮成本因素,，取式(7)計算得到的輸出電容最小值為5μF,。為防止產生過多的熱量，輸出電容應選取低ESR值,，高耐壓的陶瓷電容,。
3MOSFET管、續(xù)流二極管的選取
MOSFET管漏端電壓為輸出電壓等于28．6V,，假設用高于額定電壓的30％來計算漏極峰值電壓,，那么MOSFET管漏極的最大電壓為38V,。流過MOSFET管M1的最大電流IIN(MAX)為1．8A，M2的最大電流為700mA左右,，一般選取實際電流的3倍為MOSFET管的額定電流,。所以選取耐壓值為60V，最大正向電流為7．5A,，內阻為11mΩ的N溝道MOSFET管,，型號為SI4470EY。
D9的電壓與MOSFET管M1的電壓相同,，最大電壓為38V,，流過D9的電流等于負載輸出電流700mA，所以選擇耐壓值為40V,，最大正向電流為1．16A的肖特基二極管,，型號為ZETEXZLLS1000。
4仿真結果
用LTspiceIV軟件對電路進行仿真,。圖5是輸入電壓分別為10V,，12V，14V,，無PWM調光時負載LED隨時間變化的輸出電流值,。圖5可以看出，隨著輸入電壓發(fā)生變化,，電路的占空比發(fā)生變化,，輸出電流基本不變。電流穩(wěn)定后測得電流在705～715mA之間變化,，即驅動電路輸出一個均值為710mA,，有0．7％紋波的電流。電流精度為：
式中IOUT(MAX)為實際輸出電流最大值,；IP為設定的輸出電流,。
圖6為PWM調光時，PWM波形和MOSFET漏極電壓波形圖,，可以看出功率管MOSFET的輸入信號是PWM輸出信號和LTC3783高頻開關控制輸出信號的與,，兩個信號的占空比都可以調節(jié)輸出電流的大小。
圖7為PWM調光時控制脈沖占空比分別為20％,，50％,，80％時實際的輸出電流。實際輸出電流與PWM脈沖的占空比相同,，進而實現LED亮度的調節(jié),。
為計算電路的轉換效率，測得驅動電路的輸入電壓,、輸入電流,、輸出電壓和輸出電流的值如圖8所示,。可以看出輸入電壓VIN為12V,，輸入電流IIN為1．86A,，輸出電壓VOUT為28．6V，輸出電流IOUT為710mA,，因此電路轉換效率為：
5結語
本文基于凌特公司的LTC3783芯片,，設計了用于汽車前照燈的8個大功率白色LED串驅動電路。仿真結果表明,，在輸入電壓在10～14V時,，輸出電流為一個均值，大小710mA,，有0．7％紋波的電流,，電流精度為2．1％，輸出電壓為28．6V,，輸出功率為20W,，電路轉換效率為91％。驅動電路同時具有PWM調光的功能,，輸出一個與PWM信號占空比相同的電流,。本文設計的LED驅動電路具有恒流精度高，輸出功率大,，轉換效率高,，亮度可調的特點。