|
近來，在開發高效能低消耗LED的過程中所取得的進展，使這種照明光源在汽車內部照明系統的設計中成為一種技術性選擇。本文將介紹汽車內部照明LED所用到的多種驅動結構與拓撲結構的具體細節，并對熱管理問題加以討論。 LED正在被許多汽車照明系統所使用。正是由于LED具有尺寸小、效率高的優點，使之適用于車內照明。因此，近來在開發高效能低消耗LED的過程中所取得的進展，使這種照明光源在汽車內部照明系統設計時成為一種技術性選擇。但是，想要驅動這些器件使之發揮最佳性能，卻是一門藝術。 LED需要專門的工作電流，需要在一個標準寬度的值域當中擁有調整LED正向電流的辦法與精準性，需要車用電池組與充電系統以及串聯限制電阻器。 在調節LED工作電流時創新使用標準N型溝道耗盡型晶體管(JFET)比使用電阻能獲得更好的效果。JFET可以被看作是一個壓控電阻。通過簡單地調節柵源極電壓，使源極能夠提供相對穩定的電流，以此作為串聯LED的電流源。當漏極電壓與未經調整的開關型蓄電池相通連時，便能提供一個相對穩定的電流，與標準電阻相比，使用JFET能提供更高的效率。 LED車內照明將可應用在：儀表盤背光；控制臺背光；頂燈；便捷光源；RGB基調光源。 電路拓撲結構、驅動器電流要求和熱管理特別注意。圖1所示電路幾乎涉及所有汽車LED光源應用。如果LED電流低于100mA(大多數車內照明應用的類型都是背光或開關照明，電流一般為30mA)，電阻阻值可由串聯在LED兩端的導通電壓(Vfwd)計算得出。當使用13.5 V之類的特殊電源電壓時，電阻值的確定如下所示： Vsupply - Vsw_bat - Vrpp -I_led*R1 - 2 Vfwd=0 V Vsw_bat = 0 V Vsupply = 13.5 V (一般情況) Vrpp = 0.8 V Vfwd = 3.5 V I_led = 30mA R1 = 13.5 - 0.8 - 2*(3.5) = 190 Ω/30 由專用電阻來調整LED電流的方法已被大家所熟知，并且可通過選用一個阻值在一定范圍內的電阻作為補償來解決LED最壞情況下的Vfwd壓降問題。然而，供電電壓在9V至18V之間變化，LED電流也隨之改變。在同樣190Ω電阻和9V電壓情況下重新調整公式，I_led值變為6.3mA.假定所有的參數保持不變，供電電壓上升至18 V時I- led值為53mA。 儀表板通常都要有背光，以便使駕駛員能夠在光線較弱的條件下看清儀表盤和指針。首先，亮度調節能力是最重要的——能提供100 : 1的亮度調節比。此外，為了方便駕駛員對汽車狀態進行了解，一些指示用燈也需要背光，例如安全氣囊檢驗、動力系統狀態、液面情況等等。一般情況下，最多能同時應用30個LED。 將圖1中的LED連接擴展為6路并聯，并且在低壓的一端由晶體三極管提供脈寬調制( PWM)光線調節功能。先前計算出的電阻阻值用以調整LED的正向電流，因此，在給定電源電壓的條件下，總電流的大小由LED并聯支路的數量決定。同樣，供電電壓在9V至18V之間變化，LED電流也隨之改變。在實際應用中，供電電壓為9V時，LED必須發出足夠高的亮度以便讓駕駛員能夠正確讀出儀表板讀數。在18V時，印刷電路板(PCB)的發熱問題又會凸顯，這就需要我們對由此引發的最壞狀背光燈所使用的LED導通電壓隨顏色而定，紅色、橙色、綠色和淡黃色LED的導通電壓為2.4V，藍色和白色LED可高至3.8V。如果在串聯情況下前兩個LED導通電壓為2.4V，那么恭喜你還可以再串聯一個LED。也就是說，如果我們在一組LED中使用了一個標準的白光燈，那么此支路上的LED數就被限定為兩個。如果車輛在維修時蓄電池極性接反，可產生高達- 15V的反極性電壓，此時需要一個反極性保護二極管。LED的反向額定電壓一般為- 5V，因此，在極性相反的情況之下，我們需要一個阻塞二極管來保護LED。 有一種通過控制電路低壓端電壓來調節LED亮度的方式，主機可通過偏壓電阻、晶體三極管或數字晶體三極管(如MMUN2211系列)來作為一個簡單接口對LED進行控制。晶體三極管具有集成Rb和Rbe電阻，因此使用邏輯電平信號便足以驅動基本的發射極電路。通過使用這樣的晶體三極管并以單頻控制PWM的占空比，可為電路中的LED提供一個較寬的亮度調節范圍。 不只是LED驅動，有很多電路應用都需要低成本的固態穩流器。因此，一個固態穩流器應包含以下幾點因素：低成本；在較寬的導通電壓范圍內保持電流穩定；以低導通電壓運行時壓降較�。粚妷哼^高時可進行功率限制；為并聯應用提供理想的雙端電流源；為LED亮度調節提供高頻PWM控制；對直接引入的射頻能量具有抗磁化特性；具備高等級的靜電抗干擾能力。 用耗盡型N溝道場效應管替換圖1電路中的190歐姆電阻便可成為圖3所示電路。簡單地將柵極與源極短接，通過使用1 V以上的電壓將漏極與源極偏置，可產生LED驅動電流。值得一提的是，在使用JFET代替電阻來調整LED正向電流的過程中，當漏源電壓增大(電池電壓變化)時，電流仍可保持相對穩定。圖4顯示了JFET的穩流特性，在供電電壓的正常工作范圍內，可通過測定JFET的伏安特性曲線來深入了解它的這一特性。 如圖4所示JFET伏安特性曲線，首先是線性區域，通過JFET的電流隨著漏-源極間的壓降增大而呈線性增長。這個區域的電壓范圍相對較窄(大于LED前向壓降且小于1.5V)。我們可以比較一下，同樣在9V供電輸入的情況下圖１和圖3中LED的電流有何不同。圖1中電路取反極性二極管壓降為0.8V，留給190歐姆電阻1.2V電壓，此時LED電流6.3 mA。而圖3電路中JFET壓降1.2V，這就使LED的電流變為21mA。因此我們看到，在較低的線路電壓條件下，使用JFET偏置方法所提供的LED電流約為圖1中供電方式的3.5倍。這類似于線性調壓器中對驟降電壓的控制。這種較低的跌落電壓特性可以在車用蓄電池電量不足的情況下為LED提供較大的電流和照明亮度。 圖4中接下來的區域是恒流區，此區域電壓范圍為1.5 V(LED導通電壓)至大約6 V ( Vbattery為9.2 V至14.5 V)。此恒流區明確了JFET飽和漏極電流Idss的大小。通過將柵極與源極短接，此區域內的Idss便成為恒流源電流，并且，此恒定電流值可根據需要選取。 圖１中LED電流由一電壓值( 13.5 V)決定，此電壓值不變，LED電流也隨之恒定。但如果此電壓值產生變化會怎樣呢？JFET恒流區域內不只有一個供電電壓偏置點。緊接著線性區之后，隨著JFET的壓降增加，JFET漏極電流基本上進入夾斷狀態，電流的變化率也驟然減小(電流曲線即時斜率或導納減小)。因此JFET能夠在一個較寬的電池電壓變化范圍內( 9.5 V到14.5 V)提供一個相當可靠的恒定電流。 與電阻相比，利用JFET的恒流區產生恒定電流能獲得更好的效果。針對單一偏置電流制造出的LED所擁有的導通電壓服從正態分布，在電源電壓為13.5 V時，為了使輸出的電流保持在30mA，必須要解決由LED導通電壓的偏差所帶來的壓降問題。此時如果想按照圖１電路正常使用LED，那恐怕需要安插大量電阻來補償電路中不同LED的不同正向電壓�？雌饋碣徺I能覆蓋所有導通電壓范圍的LED(按照不同的導通電壓分類)有助于降低成本，但具有諷刺意義的是，這迫使用戶要儲存同等數量具有不同阻值的電阻。作為替代，如果使用圖5C中所示電路，恒流源或JFET將能夠忽略LED的導通電壓，從而直接提供某一特定值的穩定電流。 圖6中所示的第三個區域是圖4區域中電壓達到40V之前的延續。在偏置情況下，在供電電壓從6V升至40V期間，由于元器件內溝道的電場作用使得JFET電流曲線呈現出折回形態。在溝道電場作用下，載流子被趕出溝道，此方式可有效減小JFET上的電流與功率損耗。這種自保護功能使得JFET在遇到極大的電壓時也能正常為LED偏置提供恒流驅動。 到目前為止我們認為最壞的情況是持續供應18V電壓，然而雙倍電池供電電壓的情況也是存在的。車輛發電機/交流發電機甩負載時會產生大規模感應瞬變現象，這種現象會持續數百毫秒，而且有時供電電壓會在一分鐘內上升至26 V，有時會達到40V或更高。因此我們需要一個車輛負載保護方案。 圖7所示為40V以下BSR58的計算功率與它的理想恒流源功率，顯示出JFET電路的節電能力。30V壓降下190Ω電阻功率為4.7W，I_led為156mA。此類電流帶來功率耗損過度并會縮短LED使用壽命。 使用JFET來為LED偏置提供電流已經獲得廣泛認同，如果有一個簡單的方法能夠調整Idss值的大小那就更好了。圖8a中電路就是通過并聯3個30mA JFET產生90mA LED偏置電流的。圖8b中，將JFET與一個2.7 kΩ電阻并聯，使之通過微調Idss電流，在最大20V電壓下也能提供一個相當平穩的恒定電流。圖8c所示JFET與一個200Ω電阻串聯，這個電阻的作用是減小Vgs電壓，以此達到減小Idss電流的目的。 我們已經看到，在許多汽車LED應用中通過使用電阻偏置電路配以BSR58 JFET恒流源，為我們帶來很大方便。這種恒流源無論在低、中、高線路電壓下都能勝任。此外，我們可以通過增加電阻或附加并聯的JFET很容易地調整JFET供電電流大小。然而通過JFET使LED偏置所帶來的最大優勢是，我們可以忽略為補償每個LED固有的導通電壓差異所必需的大范圍電阻阻值。 |
