0引言
有統計表明，90％的交通事故是由于人的因素造成的，危險來源于復雜的交通狀況，包括不合理信息、缺少信息以及過度緊張等。為了有效地減少盲區，避免眩光，提高夜間行車的安全性，一些著名汽車公司提出了先進前照燈系統或自適應前照系統(AFS)的概念，其特點是車輛前燈能主動調整照明光軸方向，自動適應夜間行車環境(包括迎面車輛、彎道坡度、高速公路、城市街區等情況)的變化。近年來，高亮度LED的發展很快，汽車前照系統中采用高亮度或超高亮度LED將是一種發展趨勢。目前，已有1201m超高亮度LED的報道，8個超高亮度LED就能產生10001m的光強。LED光源除了顯而易見的壽命長，結構堅固，功耗低等優點外，其固有的體積小，設計更靈便，反應快，控制更容易等特點，使它在汽車自適應前照系統中的應用有較大的潛在優勢。
汽車電氣是酸鉛蓄電池供電的，典型值為12V，但實際電壓在12V左右不斷變化。如何利用電壓值低且不斷變化的汽車電源設計一種電流精度高，亮度可調，低功耗的驅動電路是制造LED汽車前照燈的關鍵技術。本文在輸入電壓為汽車電源電壓，負載采用8顆700mA大功率白光LED的條件下設計一種基于LTC3783芯片PWM控制LED亮度的恒流LED汽車前照燈驅動電路，輸出電流穩定、精度高、電路轉換效率高。
1LED發光特性及驅動類型的選擇
1．1LED發光特性
由于LED本質上就是能發光的二極管，只不過門檻電壓和導通壓降要更大，它的動態阻抗相對較小，較小的電壓變化就能導致較大的電流變化，其工作電流與導通壓降呈指數式的變化規律，如下式所示：
式中：Is為反向飽和電流；If為正向工作電流，指LED正常發光時的正向電流值。
LED是電流型器件，發光亮度與工作電流有關，
。其中：m近似等于1；K為比例系數。當電流增大時，發光亮度呈正比增大。為保持同等的光輸出，LED驅動電源應該控制通過LED的電流大小不變，即用恒流源驅動LED。
該設計中的負載采用8個Luxeon公司型號為LXML-PWC1-0120的LED串聯。LED規格參數如表1所示。
1．2驅動類型的選擇
1．2．1驅動方式
LED驅動方式可分為恒壓源驅動和恒流源驅動。恒壓源驅動的負載一般采用LED多支路并聯，每個支路都要串連一個有一定阻值的鎮流電阻，要求高電流輸出時，電路的轉化效率較低。由于LED是電流型器件，即使電壓發生微小的變化也可引起電流的大幅度變動，恒壓源驅動將影響到LED的發光質量和穩定性；恒流源驅動能控制輸出電流穩定，LED發光質量好，一般采用串聯連接，只有一個小阻值的檢測電阻，效率相對較高，適用于汽車前照燈LED驅動上。恒流源串聯驅動時，一般每個LED并聯一個穩壓管，防止某個LED燒壞導致整個電路開路。
1．2．2拓撲結構
LED驅動電路可分為線性穩壓器電路和開關型變換器電路。線性穩壓驅動電路雖然比較簡單，但是在芯片和限流電阻上的功耗比較大，效率非常低。開關型變換器驅動又分為電荷泵驅動和電感式驅動。電荷泵驅動器是利用電容將電流從輸入端傳到輸出端，整個方案不需要電感，具有體積小，設計簡單的優點，但它只能提供有限的輸出電壓范圍，不適用于多個大功率LED串聯。所以設計中采用了電感式升壓驅動。在圖1電路中，當MOSFET管M1導通時，電感電流增加，開始儲能，LED開始發光，續流二極管由于承受反向電壓關閉。當MOSFET管M1關斷時，電感電流減少，開始釋放能量，通過肖特基二極管續流。
1．2．3調光方式
在汽車前照燈系統中，通過控制LED的亮度可以實現近光和遠光的轉換，而在自適應前照燈系統中調節LED亮度配合LED陣列不同位置LED的亮滅可實現照射光束不同的照明距離和偏轉角度，適應不同的路況信息。當輸入電壓值有波動時，LED的電流也隨著波動，通過電流反饋，可以進行調光控制保證流過LED的電流不變。另外LED亮度調節還可以應用在熱調節電路上，代替傳統的體積大的散熱片裝置。能夠準確，高效地實現LED調光也是驅動電路考慮的重要因素之一。
通常情況下，可采用外部SET電阻、線性調節和PWM調節等技術來控制LED的亮度。在LED驅動器外部使用SET電阻的方式缺乏靈活性，無法進行動態調節。線性調節可動態控制LED的亮度，但會降低LED的效率，并引起白光LED朝向黃色光譜的色彩偏移。相比較而言，PWM調節技術的優勢十分明顯，當PWM脈沖為有效高電平或低電平時，LED輸入電流分別為最大或0，其導通時間受控于PWM引腳輸入脈沖的占空比。由于LED始終工作于相同的電流條件下，通過施加一個PWM信號來控制LED亮度的做法，可以在不改變顏色的情況下實現對LED亮度的動態調節。
為保證PWM調光不被人眼察覺，PWM調光頻率一般要大于100Hz，但過高的頻率會增加MOSFET的動態損耗。該設計中取PWM調光頻率為120Hz。
1．2．4設計規格
表2所示為本文LED恒流驅動電路的設計規格。
2驅動主電路設計
2．1電路組成
該電路主要由LTC3783，MOSFET管M1、M2，電感L1，續流二極管D9，檢測電阻R9，輸出電容C4大功率LED串組成的升壓型電感式電流控制模式驅動電路。主電路如圖2所示，LTC3783是凌特公司推出的電流模式多拓撲轉換器PWM調光范圍的大功率LED驅動器，應用范圍包括電信、汽車和工業控制系統中的高壓LED陣列、背光照明以及穩壓器。
通過改變芯片FREQ引腳外接電阻的大小來決定芯片的高頻控制信號頻率f，GATE引腳輸出一個峰值為7V的脈沖信號，它是PWMIN引腳接收的PWM控制脈沖和芯片LTC3783高頻控制輸出脈沖的與。GATE引腳驅動MOSFET管M1，控制功率MOSFET管M1的通斷，引起流過電感L1電流的變化，產生一個壓降，它與輸入電壓的和為輸出電壓。PWMOUT引腳輸出一個與PWMIN引腳相同的PWM控制脈沖信號，驅動MOSFET管M2，PWM脈沖的占空比決定LED串電流的占空比，進而控制LED串的亮度。FBN引腳接受檢測電阻R9反饋的電壓信號，當輸出電流因輸入電壓發生變化時，調整電路占空比，保持輸出電流恒定。
2．2主要參數的計算
2．2．1開關頻率f的選取
PWM控制脈沖信號與芯片高頻開關控制信號如圖3所示，可以看出兩者有如下關系：
采用PWM控制LED亮度時，一般為了避免讓人覺察，控制脈沖的頻率選擇fPWM=120Hz。每個控制脈沖高電平至少要包含2個芯片高頻開關脈沖，即N>2。為了達到數字化實現DPWM為1：3000的調光比，選擇芯片頻率f為1MHz。而芯片開關頻率是由連接在芯片FREQ上的電阻R2決定的。f與R2的關系如圖4所示，該設計中選擇R2=6kΩ。
2．2．2計算電路占空比D
電路最大占空比計算公式為；
式中：VOUT為輸出電壓；VIN(MIN)為最小輸入電壓；VD為二極管D4的正向壓降V。最小輸入電壓為10V，輸出電壓為28．6V，二極管正向壓降為0．4V，由式(3)計算得到最大占空比為59％。LTC3783允許的最大占空比可以達到90％。
2．2．3計算最大輸入電流
計算最大輸入電流的目的是為了計算其他元件的額定值，輸入電流計算公式為：
式中：χ／2表示紋波電流與平均電流的比值。這里取χ=Iout×20％=700mA；DMAX為59％；算得最大輸入電流為1．8A。
2．2．4輸入電感L1的計算
經過電感L1的紋波電流為：
算得L=12μH。
2．2．5輸出電容C4的計算
輸出電容主要是減少輸出電流的紋波。LED上流過電流的紋波對LED的光效和光衰有重要影響，在一定的平均電流下，紋波越大，則有效值越大，轉化成的熱量越多，光效越低，光衰越厲害，壽命越短。所以對LED來說，較好的驅動電流是紋波很小的直流電流。
假設紋波電壓不超過輸出電壓的1％，有：
電容越大紋波電流越小，考慮成本因素，取式(7)計算得到的輸出電容最小值為5μF。為防止產生過多的熱量，輸出電容應選取低ESR值，高耐壓的陶瓷電容。
3MOSFET管、續流二極管的選取
MOSFET管漏端電壓為輸出電壓等于28．6V，假設用高于額定電壓的30％來計算漏極峰值電壓，那么MOSFET管漏極的最大電壓為38V。流過MOSFET管M1的最大電流IIN(MAX)為1．8A，M2的最大電流為700mA左右，一般選取實際電流的3倍為MOSFET管的額定電流。所以選取耐壓值為60V，最大正向電流為7．5A，內阻為11mΩ的N溝道MOSFET管，型號為SI4470EY。
D9的電壓與MOSFET管M1的電壓相同，最大電壓為38V，流過D9的電流等于負載輸出電流700mA，所以選擇耐壓值為40V，最大正向電流為1．16A的肖特基二極管，型號為ZETEXZLLS1000。
4仿真結果
用LTspiceIV軟件對電路進行仿真。圖5是輸入電壓分別為10V，12V，14V，無PWM調光時負載LED隨時間變化的輸出電流值。圖5可以看出，隨著輸入電壓發生變化，電路的占空比發生變化，輸出電流基本不變。電流穩定后測得電流在705～715mA之間變化，即驅動電路輸出一個均值為710mA，有0．7％紋波的電流。電流精度為：
式中IOUT(MAX)為實際輸出電流最大值；IP為設定的輸出電流。
圖6為PWM調光時，PWM波形和MOSFET漏極電壓波形圖，可以看出功率管MOSFET的輸入信號是PWM輸出信號和LTC3783高頻開關控制輸出信號的與，兩個信號的占空比都可以調節輸出電流的大小。
圖7為PWM調光時控制脈沖占空比分別為20％，50％，80％時實際的輸出電流。實際輸出電流與PWM脈沖的占空比相同，進而實現LED亮度的調節。
為計算電路的轉換效率，測得驅動電路的輸入電壓、輸入電流、輸出電壓和輸出電流的值如圖8所示?？梢钥闯鲚斎腚妷篤IN為12V，輸入電流IIN為1．86A，輸出電壓VOUT為28．6V，輸出電流IOUT為710mA，因此電路轉換效率為：
5結語
本文基于凌特公司的LTC3783芯片，設計了用于汽車前照燈的8個大功率白色LED串驅動電路。仿真結果表明，在輸入電壓在10～14V時，輸出電流為一個均值，大小710mA，有0．7％紋波的電流，電流精度為2．1％，輸出電壓為28．6V，輸出功率為20W，電路轉換效率為91％。驅動電路同時具有PWM調光的功能，輸出一個與PWM信號占空比相同的電流。本文設計的LED驅動電路具有恒流精度高，輸出功率大，轉換效率高，亮度可調的特點。