LED汽车前照灯驱动电路设计与仿真

摘要：随着大功率LED性价比的提高，输出光流量的增加，使LED应用在汽车前照灯成为可能。在输入电压在10～14 V之间变化，负载采用8颗700 mA大功率白光LED的条件下确定驱动方式、拓扑结构和调光方式，设计一种基于LTC3783芯片PWM控制LED亮度的恒流LED汽车前照灯驱动电路，并用LTspiceIV软件对电路进行了仿真。结果表明，输入电压在10～14 V变化时输出电流为一个710 mA均值，有0．7％纹波的电流，电流精度为2．1％，输出电压为28．6 V，输出功率为20 W，电路转换效率为91％。有PWM信号输入时，电路输出一个与PWM信号相同占空比的电流。通过调节PWM信号的占空比实现LED亮度的控制。
关键词：汽车前照灯：大功率LED；脉宽调制：LTSPiceIV

0 引言
有统计表明，90％的交通事故是由于人的因素造成的，危险来源于复杂的交通状况，包括不合理信息、缺少信息以及过度紧张等。为了有效地减少盲区，避免眩光，提高夜间行车的安全性，一些著名汽车公司提出了先进前照灯系统或自适应前照系统(AFS)的概念，其特点是车辆前灯能主动调整照明光轴方向，自动适应夜间行车环境(包括迎面车辆、弯道坡度、高速公路、城市街区等情况)的变化。近年来，高亮度LED的发展很快，汽车前照系统中采用高亮度或超高亮度LED将是一种发展趋势。目前，已有1 201 m超高亮度LED的报道，8个超高亮度LED就能产生10 001 m的光强。LED光源除了显而易见的寿命长，结构坚固，功耗低等优点外，其固有的体积小，设计更灵便，反应快，控制更容易等特点，使它在汽车自适应前照系统中的应用有较大的潜在优势。
汽车电气是酸铅蓄电池供电的，典型值为12 V，但实际电压在12 V左右不断变化。如何利用电压值低且不断变化的汽车电源设计一种电流精度高，亮度可调，低功耗的驱动电路是制造LED汽车前照灯的关键技术。本文在输入电压为汽车电源电压，负载采用8颗700 mA大功率白光LED的条件下设计一种基于LTC3783芯片PWM控制LED亮度的恒流LED汽车前照灯驱动电路，输出电流稳定、精度高、电路转换效率高。

1 LED发光特性及驱动类型的选择
1．1 LED发光特性
由于LED本质上就是能发光的二极管，只不过门槛电压和导通压降要更大，它的动态阻抗相对较小，较小的电压变化就能导致较大的电流变化，其工作电流与导通压降呈指数式的变化规律，如下式所示：

式中：Is为反向饱和电流；If为正向工作电流，指LED正常发光时的正向电流值。
LED是电流型器件，发光亮度与工作电流有关，。其中：m近似等于1；K为比例系数。当电流增大时，发光亮度呈正比增大。为保持同等的光输出，LED驱动电源应该控制通过LED的电流大小不变，即用恒流源驱动LED。
该设计中的负载采用8个Luxeon公司型号为LXML-PWC1-0120的LED串联。LED规格参数如表1所示。

1．2 驱动类型的选择
1．2．1 驱动方式
LED驱动方式可分为恒压源驱动和恒流源驱动。恒压源驱动的负载一般采用LED多支路并联，每个支路都要串连一个有一定阻值的镇流电阻，要求高电流输出时，电路的转化效率较低。由于LED是电流型器件，即使电压发生微小的变化也可引起电流的大幅度变动，恒压源驱动将影响到LED的发光质量和稳定性；恒流源驱动能控制输出电流稳定，LED发光质量好，一般采用串联连接，只有一个小阻值的检测电阻，效率相对较高，适用于汽车前照灯LED驱动上。恒流源串联驱动时，一般每个LED并联一个稳压管，防止某个LED烧坏导致整个电路开路。
1．2．2 拓扑结构
LED驱动电路可分为线性稳压器电路和开关型变换器电路。线性稳压驱动电路虽然比较简单，但是在芯片和限流电阻上的功耗比较大，效率非常低。开关型变换器驱动又分为电荷泵驱动和电感式驱动。电荷泵驱动器是利用电容将电流从输入端传到输出端，整个方案不需要电感，具有体积小，设计简单的优点，但它只能提供有限的输出电压范围，不适用于多个大功率LED串联。所以设计中采用了电感式升压驱动。在图1电路中，当MOSFET管M1导通时，电感电流增加，开始储能，LED开始发光，续流二极管由于承受反向电压关闭。当MOSFET管M1关断时，电感电流减少，开始释放能量，通过肖特基二极管续流。
1．2．3 调光方式
在汽车前照灯系统中，通过控制LED的亮度可以实现近光和远光的转换，而在自适应前照灯系统中调节LED亮度配合LED阵列不同位置LED的亮灭可实现照射光束不同的照明距离和偏转角度，适应不同的路况信息。当输入电压值有波动时，LED的电流也随着波动，通过电流反馈，可以进行调光控制保证流过LED的电流不变。另外LED亮度调节还可以应用在热调节电路上，代替传统的体积大的散热片装置。能够准确，高效地实现LED调光也是驱动电路考虑的重要因素之一。

通常情况下，可采用外部SET电阻、线性调节和PWM调节等技术来控制LED的亮度。在LED驱动器外部使用SET电阻的方式缺乏灵活性，无法进行动态调节。线性调节可动态控制LED的亮度，但会降低LED的效率，并引起白光LED朝向黄色光谱的色彩偏移。相比较而言，PWM调节技术的优势十分明显，当PWM脉冲为有效高电平或低电平时，LED输入电流分别为最大或0，其导通时间受控于PWM引脚输入脉冲的占空比。由于LED始终工作于相同的电流条件下，通过施加一个PWM信号来控制LED亮度的做法，可以在不改变颜色的情况下实现对LED亮度的动态调节。
为保证PWM调光不被人眼察觉，PWM调光频率一般要大于100 Hz，但过高的频率会增加MOSFET的动态损耗。该设计中取PWM调光频率为120 Hz。