一种LED汽车头灯驱动电路

一种LED汽车头灯驱动电路燕坤善袁牛萍娟袁付贤松渊天津工业大学信息与通信工程学院袁天津300160冤摘要院针对LED汽车头灯大功率工作要求袁基于MAX16831芯片袁通过搭建开关电源升压电路袁设计出一种大功率LED恒流源驱动电路.电路具备将车载电源12V转换至最高80V的升压功能袁可驱动多颗LED袁还能输出700mA到1A的恒定电流.整个电路结构简单袁仅需少量外部元器件袁同时电路性能可靠袁工作温度为-40~+125益袁能够适应汽车恶劣工作环境袁满足了大功率LED照明的电压电流工作要求.关键词院大功率曰LED曰汽车头灯曰MAX16831曰电路设计中图分类号院TN364.2文献标识码院A文章编号院员远苑员原园圆源载渊圆园园8冤06原园园51原园3第圆7卷第6期圆园园8年12月天津工业大学学报允韵哉砸晕粤蕴韵云栽陨粤晕允陨晕孕韵蕴再栽耘悦匀晕陨悦哉晕陨灾耘砸杂陨栽再Vol.27No.6December2008AdrivecircuitdesignedforautomotiveLEDheadlampYANKun-shan袁NIUPing-juan袁FUXian-song渊SchoolofInformationandCommunicationofEngineering袁TianjinPolytechnicUniversity袁Tianjin300160袁China冤Abstract院AdrivecircuitbasedonMAX16831andabooststructureofSMPSisdesignedtoprovideaconstantcurrentforhighpowerLEDheadlamp.Thiscircuitcanboostthe12Vvoltageprovidedbyautomotivebatteryupto80V袁italsocanexportaconstantcurrentfrom700mAto1A袁andthesimplecircuithasstableperformancewithafewcomponentsinthetemperature-40-+125益.Thiscircuitcanadaptthehardautomotiveworkingenvironment袁meettheworkrequirementsofthehighpowerLEDheadlamp.Keywords院highpower曰LED曰automotiveheadlamp曰MAX16831曰circuitdesign收稿日期院2008-06-16基金项目院国家863计划资助项目（2006AA03A154）作者简介院燕坤善（1984—），男，硕士研究生；牛萍娟（1972—），女，博士后，副教授，导师.E-mail：[e-mail].近几年来，由于半导体光源性能的不断提高，很多用于汽车照明的新方案变得切实可行.将红色或琥珀色发光二极管（LED）用于汽车尾部信号灯已风靡一时，而白色发光二极管在光通量方面的迅速提高也使其能够满足前照灯系统的高要求，例如雾灯、远光灯和近光灯.发光二极管应用于前照灯有几个优势：发光二极管的平均寿命为50000h以上，所以发光二极管的使用可能使得汽车不再需要更换前照灯，在寿命和相关的替换品及保险开销上大大节省；将一个或多个发光二极管组合起来可使前照灯外观达到理想状态，有助于设计师为汽车生产商创造出独特的产品造型；另外，还可以缩减燃料消耗[1].基于上述优点，LED汽车头灯拥有广阔应用前景.但是由于LED的亮度会随工作电流的变化而改变，为保证流过每只LED的电流相同（使每只LED的亮度均匀），就必须将LED串联使用，串联使用使得LED点阵所需电源电压较高.但普通电池供电的便携式产品所使用的电池电压范围为2.7~4.2V[2]，即便是车用电源，尽管其电压保持在12V左右，同样不能满足驱动要求.因此合理的设计升压电路来驱动LED，是LED头灯能够得到广泛应用的关键；同时LED亮度控制及整个电路的保护电路设计，也是汽车头灯驱动电路设计中必须解决的问题，但目前还没有成熟的LED汽车头灯驱动电路解决方案[1].为此，本文基于MAX16831芯片，通过搭建开关电源升压电路设计一种大功率LED恒流源驱动电路.1LED汽车头灯驱动电路设计1.1驱动电路的设计要求汽车LED驱动电路的技术参数要求严格：其典型PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建，由于汽车电源电压不稳定，所以要求驱动电路工作电压范围为8~20V，输出电流能够达到700mA以上，以满足大功率要求；驱动电路还要具备开路、短路等保护功能[2]，同时在器件选择上需要选择汽车级元件.另一方面，从目前LED的发光效率来看，要想达到LED汽车头灯的照明要求，需要10颗左右的大功率LED，而每个LED的压降在3.5~4V之间，所以驱动电路需要能够把车载电源的12V电压升至40V，才能保证光学设计的要求.1.2电路拓扑及驱动芯片选择LED照明系统需要借助于恒流供电，目前主流恒流驱动设计方案有线性和开关型DC/DC稳压器结合特定的反馈电路等两种驱动方式[3].线性恒流驱动电路虽具有电路简单、元件少、成本低、恒流精度高和工作可靠等优点，但使用中也发现几点不足：淤调整管工作在线性状态，工作时功耗高、发热大（特别是工作压差过大时），不仅要求较大尺寸的散热器，而且降低了用电效率；于供电电压值要求与LED工作电压严格匹配，不允许大范围改变，也就是说它对电源电压及LED负载变化的适应性差；盂它仅能工作在降压状态，不能工作在升压状态，即电源电压必须高于LED工作电压[2].所以本文选用开关电源.目前世界上知名的半导体设计企业几乎都有针对LED的恒流驱动芯片，而且芯片功能很全，应用范围相当广，节约了设计人员的时间和精力，缩短了产品的开发时间.在驱动芯片和外部元器件的选择上，由于是汽车工业级标准，所以参数要求比较严格.经过选择，美信公司的MAX16831芯片满足要求，该器件经过专门优化，可满足最新的汽车前灯设计要求，用于远光灯和近光灯、自适应调节前灯系统等效果理想.同时，在整个汽车工作温度范围内，该LED驱动器还具有输出过压以及过热和LED短路等保护功能，所以选用该芯片不用在原理图中另外增加开路、短路保护功能，使整体电路更加简单.1.3MAX16831升压电路MAX16831芯片通过选择不同的外部电路可以工作在升压、降压和降压-升压等多种模式.其中，开关电源工作在升压模式的工作原理如图1所示[4].MOSFET的导通和关断状态将SMPS（开关电源）电路分为两个阶段：充电阶段和放电阶段，分别表示电感中的能量传递状态.充电期间电感储存能量，在放电期间传递给输出负载和电容；电感充电期间，输出电容为负载供电，维持输出电压稳定.根据拓扑结构不同，能量在电路元件中循环传递，使输出电压维持在适当的值.在每个开关周期，电感是电源到负载能量传输的核心；如果没有电感，MOSFET切换时，SMPS将无法正常工作.如图1所示的升压电路，MOS管导通期间，电感充电，负载通过电容工作；MOS管关断期间电感和电源同时给负载供电，使电压升高[5].图2是MAX16831的升压原理图.1.4电路元件参数设置（1）最低输入电压和工作频率.最低输入电压值设置根据下式计算[6]：R1=R2伊（VEVI-VE）（1）式中，VE=1.244V；取R1=12.4k赘，R2=60k赘，经计算得最低输入电压VI=7.3V.工作频率设置公式为RT=500kHzf伊20k赘，取工作频率为300kHz，所以计算得RT=42.2k赘.（2）电感峰值电流和电感.检测电阻RS用来设置通过电感的峰值开关电流，当RS上的压降超过电流限值时，MOS管（DRV）会停止导通，从而减小通过电感的电流值.RS=VS/（1.2IP），其中差分电压值VS=200mV，这里取RS=0.02赘，经计算IP=8.3A，由于流过电流图1开关电源升压拓扑图Fig.1BoosttopologyofSMPSLDCMOS管VINVOUT跃VINSTEP-UP[BOOST]图2MAX16831升压电路Fig.2BoostcircuitofMAX16831VINROV2ROV1CUVEMVCCRCSCS+DGTCS-LDCLMPCCUMPLDRVSNS+R0OSDZCFLEDSRSENSEROV1SNS-OGNDCRBD2ROV2OVDR1REG2H1SGNDAGNDFBCSA1COMPREG1RTSYNCREFDIMUVEN驱动芯片R2R4RTCREB1C1R2C2LOAD52要要PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建期很大，此处可用两个0.04赘，功率为2W的电阻并联代替.在MAX16831芯片升压变换中，电感电流均值与输入电流值相当，电感值通过如下公式计算[6]：L=VI伊（VO-VI）VO伊f伊驻IL（2）式中，VI为最小输入电压；VO为实际输出电压；驻IL为电感的纹波电流值.经计算取电感值为10滋H.（3）最大输出电压和输出电流的设置.对最大输出电压的设置，计算公式为[6]：ROV1=ROV2伊VO-VOVVOV蓸蔀（3）式中，VOV=1.235V，这里取ROV1=280k赘，ROV2=5k赘，所以得最大输出电压VO=70.4V.输出电流感应电阻RC始终检测着通过LED的电流，IO=0.107V辕RC，取RC=0.1赘，所以输出电流可控制为IO=1.07A.至此，电路的主要参数基本设置完成，图3为驱动电路图.在设计PCB板时需要注意主要耗能器件的散热，如MAX16831芯片、功率MOS管等，要使其周围的散热环境良好；同时，对外围器件的选择也很重要，应尽量选用汽车级器件并保留一定的参数余量.2实验验证在芯片工作频率为300kHz的情况下，利用直流电源对该电路板进行了测试.结果表明：输入最低电压为7.3V，最大输出电压可达到70.4V，可以驱动10颗以上的大功率LED；同时模拟仿真得到电路恒定输出1A左右电流，如图4所示，能够适应大功率高亮度照明，满足大功率LED的电气性能要求.电路开路和短路时，芯片自动关断，具备保护功能.3结束语本文设计出了一种LED汽车头灯驱动电路.通过实验证实，该电路满足设计要求，效率达到85%以上.与其它类型LED驱动电路相比，该电路具有控制精度高、性能参数稳定、能适应汽车恶劣工作环境等优点.参考文献院[1]SARDILuca，ACKERMANRalf.IntegrationofLEDsinfor原wardlighting[J].AutomotiveLighting，2005，5663（1）：1-6.[2]周志敏，周纪海.LED驱动电路设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2006.[3]李定宣.开关稳定电源设计与应用[M].北京：中国电力出版社，2006：18-24.[4]赵宏锋.高精度稳定稳流开关电源设计[D].西安：西北工业大学，2003.[5]长谷川彰.开关稳压电源的设计与应用[M].何希才，译.北京：科学出版社，2008：117-127.[6]MaximInc.MAX16831/MAXl6831EVKIT[EB/OL].[2008-01-15].http：，2007.图4输出电流波形图Fig.4Waveformofoutputcurrent1.21.11.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0时间/ms图3驱动电路图Fig.3DrivecircuitVinC112R2R1C230.1滋F50VC3456RT742.2k赘8C4C5R4CLKOUTRTSYNCDIMREFAGNDREG1UVENN.C.C9C7CSRCC7N.C.2423222120DGTQGNDSNS-SNS+D