浅谈LED在汽车中的应用及其驱动电路的设计

LED是发光二极管（Light Emitting Diode）的简称，是一种能够将电能转化为可见光的半导体，发光效率可达80%至90%.这种半导体组件自开发以来一般是作为指示灯使用。随着科学技术的发展，LED对照明领域产生了深刻的影响，被誉为继白炽灯、荧光灯、气体放电灯之后的第4代照明光源。20世纪80年代中期，LED开始应用于汽车中央高位制动灯。20世纪90年代，汽车仪表LCD面板背光照明普遍采用LED这种固态新光源。

进入新世纪后，LED光源技术有了更快的发展，涂敷荧光粉工艺制作成的大功率白光LED的光效已达到100lm/W.随着输出光通量不断提高，LED在汽车照明中的推广应用有了更大的发展空间。

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。