从头说起,车载照明系统中LED技术及其驱动

过去,常见的车用主流照明灯具大都是卤素灯。近年,LED作为新型照明光源具备优良性能,同时由于尺寸较小,便于自由组合,可以利用LED形成不同的形状和线条组合,以提升整体造型、增加舒适性。整车LED的应用正在迅猛增长,主要包括前照大灯,日行灯,转向灯,尾灯,内饰灯,阅读灯,氛围灯以及栅格灯等,LED正使用朝着普及化的方向发展。

以下就汽车应用中的LED灯珠及LED驱动芯片做基础介绍。

1、为什么使用LED作为光源?

主要原因:光效高,寿命长,响应速度快,体积小。

众所周知,LED有以下优势:

光效高:LED光效是卤素灯的5倍以上,体现在前大灯照明中即节能高效。

光效:光源所发出的总光通量(流明lm)与该光源所消耗的电功率(瓦W)的比值。

● LED:70-150 lm/W

● 卤素灯:10-20 lm/W

寿命长:与卤素灯相比,LED具有较长的使用寿命,适合汽车高可靠性的要求。

● LED:寿命可达50000小时以上。

制成车灯后, 寿命约在20000小时左右 ,可以覆盖汽车正常生命周期。

● 卤素灯:寿命约500-1200小时,在车灯系统中,3-5年需要更换一次。

响应速度快:LED响应时间在纳秒级左右,与卤素尾灯0.2-0.5秒响应时间相比,当LED作为刹车灯使用时,当车速在100公里时,意味着可减少5米以上的刹车距离。

● LED:10-100纳秒

● 卤素灯:0.2-0.5秒

体积小:造型设计多变灵活,增加各种应用的可能性,并适合电子模块小型化需求。

基于LED上述特点和价格的日益亲民化,使得LED在汽车中的内外灯应用呈燎原之势。

2、LED的特性有哪些?以及应该如何使用LED?

LED 伏安特性

与二极管伏安特性有相似之处,但通常曲线较陡。例如LED灯珠的伏安特性如图1所示。LED上的正向压降和通过LED的电流大小正相关。

“图1:LED
图1:LED 伏安特性

由伏安特性图可以看出,如果以输出电压2.15伏,输出电流140mA为例,当施加在灯珠上的电压变化范围从1.9伏变化到2.2伏之间,即在-12%和+3%之间变化时,引起的电流变化是从40mA到160mA ,即-72%到+15%。这种特性就决定了,如果使用恒压方式供电时,即使电压的微小波动,也会造成输出电流的剧烈变化。

LED 伏安温度特性

LED 伏安特性是随温度变化,当LED在工作时,随着结温升高,正向电压会降低,随着结温下降,正向电压会升高。在汽车应用中环境温度变化从零下40度到零上85度。以25度,2.15伏正向电压为例,正向电压会在+9%至-6%之间变化,如图2所示。所以即使是确定的一串LED灯珠,其正向电压也是跟随温度变化的。

“图2:LED伏安温度特性曲线”
图2:LED伏安温度特性曲线

光强与结温关系

在不同温度下光强变化也相对剧烈。随着灯珠结温升高时,输出光强会下降。

以图3为例,当结温升至90度时,输出的光强已经下降到结温25度时的60%。

由此可看出,当结温升高到90度时,与25度相比,LED灯珠上消耗功率降低了6%时,光强已经下降了40%。

“图3:不同结温的光强与25度结温光强相对值”
图3:不同结温的光强与25度结温光强相对值

LED发热特性:自身发热量大。

原因:LED消耗的电能中只有一小部分,大约20%左右转化为光能,其余部分都转化成热能,这些热能需要散热设计支持,保证LED可以持续正常工作。

LED灯珠的光电特性,寿命等均与结温密切相关。以汽车级LED灯珠为例, LED最高持续工作结温一般在100度到150度,当超过这个温度时,就会造成对LED的损坏。

所以在LED模块设计中,散热和温度监测是需要重点考虑的环节。

在车灯较高功率应用中,PTC(正温度系数热敏电阻) 和NTC(负温度系数热敏电阻)会常被用来的方式来检测LED温度。温度超过限值时,采取相应措施限制输出电流,达到保护灯珠的目的。

总结 :由LED以上特点分析可知, 使用恒流源是驱动LED最佳方式。

3、常用LED驱动方式:

(1)使用串联电阻直接驱动:兼容LED和灯泡两种负载方式。

由于电流尖峰的存在,会影响LED寿命,为了延长LED寿命,需要降额使用LED。

由于串联的电阻的封装所限,适合用于小功率场合。

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(2)线性电流源驱动:属于恒流驱动,支持模拟和数字调光,带诊断保护功能,支持N-1功能(相同功能组中如一路出错,功能组中其他路一起熄灭,也写作1 off all off)。这种方案一般适合尾灯等小电流应用场合。线性电流源只能支持降压,相对开关型器件效率低,适合功率较小的驱动场合。

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(3)开关电源恒流源驱动:恒流驱动,支持模拟和数字调光,带诊断保护功能。支持升压,降压,升降压多种拓扑。效率高,适合高功率场合。与线性电流源相比 ,需要更多外围器件,并且器件选型时需要考量EMC实验要求。

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(4)开关电源恒压+线性恒流源驱动:特点与(3)相似,但是适合较多通道,且总功率较高,模块小型化的场合。

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作为开关电源恒压和线性恒流源驱动组合的实际案例,以英飞凌TLD5097EL +Basic 系列为例,(线性电流源家族TLD1120EL等)来驱动LED+OLED组合尾灯。

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部分的系统框图如下所示

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以上四种方式,是汽车中常用的LED驱动方式。需要根据不同的应用场景和OEM具体需求和相关测试标准去选择。

希望以上介绍能够对大家初步了解LED及其驱动方式有所帮助。

本文转载自: 英飞凌汽车电子生态圈(作者: 秦天鹤 汽车电子)
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