关于车载照明系统中LED技术及其驱动分析和应用

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 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

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

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。

（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。

（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。

（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。

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。

部分的系统框图如下所示

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。