一种LED汽车前照灯驱动电路设计

一种LED汽车前照灯驱动电路设计

孙志锋

广州广日电气设备有限公司511447

摘要：设计一种高性价比的LED汽车前灯驱动电路，具有电压可调，结构简单的特点。汽车前灯驱动电路主要由EMI滤波电路，调压电路，恒压恒流电路组成。利用软件进行仿真测试，模拟电网波动，测试设计电路的调压与恒压恒流特性。仿真结果表明，该LED汽车前灯驱动电路达到了预期效果。

关键词：LED；汽车前灯；驱动电路设计

前言：LED具有低功耗、无污染的特点，是节约型的绿色光源，是照明领域的发展趋势。LED驱动电路是介于电网电压与LED之间的电源适配器，需满足高可靠性、高效率、高功率因数等特点，还需要对LED起一定的保护作]。因此，为充分发挥LED的优势，需配备相应的恒压恒流驱动电路。本文设计了一种性价比高的新型LED驱动电路，该电路采用光耦与电压跌落补偿电路保证恒压恒流特性。此电路还具有电压可调的特点，可驱动工作电流在20～40mA的发光二极管。

一、拓扑结构的选择

开关型变换器的拓扑结构主要分为降压型(Buck)、升压型(Boost)和升-降压型(Boost-buck)3种类型。如果电源电压高于LED输出电压和,电路需选用降压型拓扑结构;如果电源电压低于LED输出电压和,电路需选用升压型拓扑结构。升压拓扑既要控制电流,又要控制电压,电路相对复杂些,大电流情况下存在较严重的干扰问题。本方案输入电压范围较宽,所以选用最稳定又最安全的Boost-buck拓扑结构。

图1所示为典型Boost-buck拓扑结构工作原理图。开关Q1为闭合状态时,电流流过L1到Q1再到电源负极Vin-形成通路,电容C1充电;当开关为断开状态时,电流经过L2到D1再到负载Vo+,电容C1放电。典型Boost-buck拓扑结构的优点有:

(1)电路可自动升降压,当负载电压小于电源电压时,电路工作在Buck模式;当负载电压大于电源电压时,电路工作在Boost模式;

(2)能提供连续的输入和输出电流,更容易满足EMI要求;

(3)开关MOSFET的故障不会损坏负载LED。其主要缺点为：

1.转换器较难稳定,补偿电路复杂；

2.LC谐振电路不容易受到控制,容易导致电容两端产生过高的电压,从而毁坏电路。

图1Boost-buck拓扑工作原理

二、驱动类型的选择

LED驱动类型大致分为电阻限流、线性稳压器和开关型变换器3类。电阻限流方案适用于低要求应用,但不适用于汽车电源较宽的输入电压条件,而且大功率LED驱动电流大,会在电阻上产生大量的热量,降低效率;线性稳压器是相对简单的方案,但其存在能量损失问题和效率问题,对于小电流LED,尤其是串联后LED正向压降稍低于电源电压的场合,使用线性稳压器方案更为合适;开关型变换器最灵活,效率更高,开关电源通过控制开关,在一个周期内,对RLC电路充电,在下一个周期,存储的能量用来驱动负载。这类电路效率较高,开关稳压器能提供多种拓扑结构,这是线性稳压器所不具备的。在衡量工作效率、安装尺寸、静态电流、工作电压、噪声和输出调节等因素后,本文电路选用更具优势的开关型变换器。

三、PWM调光方式的选择

LED的调光方式分为模拟调光和PWM调光,采用模拟调光时,LED的驱动电流与其亮度呈线性变化关系,这种方法会使LED色坐标偏移;PWM调光是通过改变脉冲电流占空比的方法来调节LED的亮度,由于每个脉冲周期内的正向电流保持一致,因而色坐标不会偏移,另外,PWM恒流输出可有效缓解负载散热的压力,所以选用PWM调光方式。图2为PWM调光电路,采用NE555芯片设计,可实现0～99%的占空比调节。为保证PWM调光不被人眼察觉,低频PWM调光频率需大于100Hz。频率上限取决于电路对负载切换的瞬态响应速度,但过高的频率会增加MOSFET的动态损耗。综合考虑,取PWM调光频率为200Hz。

图2PWM调光电路

四、驱动电路设计

4.1电路组成及指标

负载为8颗1W白光LED串联,由12V汽车电源供电。电路指标如下:输入电压:9～16V;输出电压:最大33V;输出电流:350mA±5%,输出电流方式为PWM恒流;具备过流、过压、开路、短路保护和反极性保护等功能。主芯片AT9933是美国Supertex公司为LED汽车照明设计的一款变频PWM控制器驱动IC,具有0～75V的宽电压输入范围,可在125℃下工作,符合AECQ100标准,使用滞后电流模式控制(HystereticCurrentModeControl)技术调节输入和输出电流,能直接承受较高的尖峰电压而不需要复杂环路补偿和外部元件,可实现快速调光。其自身的特性很好地弥补了Boost-buck开关型变换器的缺点,输入和输出电流控制还提供内在短路和输入低压情况下的保护。图3是AT9933的内部框图。VIN脚为输入电压端,内接线性稳压器(Regulator);VDD脚为稳压输出端,内置7.5V线性电源;CS1、CS2分别是LED输入电流采样端和输出电流采样端,内接输入、输出电压比较器(InputComparator,OutputComparator);GATE脚用于驱动外接MOSFET的栅极,外接充放电电容、电感和续流二极管;REF脚提供了精确的参考电压;PWMD脚为调光接口;GND脚为接地端。图4所示为基于AT9933的LED驱动电路。其中主芯片AT9933(U1)外置耐压100V的N沟道开关MOSFET(Q1),外围连接输入滤波电容(C2、C3、C4、C6)、输入电感(L1)、续流二极管(D4)、充放电电容(C1)、输出采样电阻(R8)等,组成Boost-buck电路。

图4基于AT9933的LED驱动电路

4.2主要电路参数计算

4.2.1开关频率fs的选取

当输入电压最低时,确定开关的最小频率,使得开关运行时的频率范围在300～530kHz之间,这样更容易满足汽车EMI要求。

4.2.2计算电路占空比D占空比计算公式为

由式(6)计算出中心电容C1=0.257μF。为防止产生过多的热量,中心电容应选取低ESR值、高耐压的陶瓷电容。由于电容两端最大稳态电压为44V(28V+16V),通过C1的最大瞬时电压为70V(28V+42V),而陶瓷电容可以承受负载突降电压的2.5倍,所以选取C1值为0.22μF、耐压50V、型号为X7R的陶瓷电容。

(6)

4.2.7开关MOSFETQ1的选取

电容C1两端的峰值电压Vc为70V,假设高于额定电压的30%用来计算漏感峰值电压,则Q1的最大电压VFET.max=1.3×Vc.max=1.3×70V=91V。输入电压最低时,流过MOSFET的最大等效直流

电流IFET.max=(Iin.max+Io)×Dmax=1.77A。一般选取实际电流的3倍为MOSFET的额定电流,所以选取耐压100V、最大正向电流4.5A、内阻50mΨ的N沟道MOSFET,型号为FD3692。

4.2.8续流二极管D4的选取D4的电压与MOSFET的电压相同,流过D4的平均电流等于负载输出电流350mA,但流过D4的实际电流为1.95A(Iin.max+Io),应选择额定电流至少为1A的二极管,故选择耐压值为100V、最大正向电流为2A的肖特基二极管,型号为B2100-13。

五、实验结果

实验在室温20℃时进行，图5所示是输入电压分别为9V、12V和16V,无PWM调光时的MOSFET漏极电压波形图;图6是电压分别为9V、12V和16V时,随时间变化的实测输出电流值。可以看出,随着输入电压的升高,开关频率自动升高,输出电流基本保持在342mA左右不变,电流精度为

结束语：本文设计了一种LED汽车前灯驱动电路，此电路不仅具有较好的恒流恒压特性，还具有输出电压可调的特点，且输出电压与输出电流端都与汽车前灯驱动电路相互隔离，避免汽车前灯驱动电路和LED负载电路相互影响。

参考文献：

[1]周志敏,周纪海,纪爱华.LED驱动电路设计与应用.北京:人民邮电出版社,2016.5

[2]何华斌.改善谐波影响的电子调压电路设计与仿真分析.计算机仿真，2013.8

[3]郑祺，刘廷章，杨洁翔.基于初级控制的LED恒流驱动电路的设计[J].电力电子技术，2011.2