基于PWM 調(diào)光模式的白光LED 驅(qū)動設(shè)計研究

李祥兵， 王春才， 王 坦， 趙曉茹， 彭 麗

（神龍汽車有限公司技術(shù)中心， 湖北 武漢 430050）

1 前言

在車燈技術(shù)領(lǐng)域，隨著LED光源的廣泛普及，電子系統(tǒng)所占比例越來越高。隨著LED光源能實現(xiàn)的車燈功能日益增多，車燈效果動態(tài)化甚至基于人類情感的高度智能化控制等技術(shù)不斷涌現(xiàn)，可以說，未來的車燈將完全是一個高度智能的電子產(chǎn)品。從設(shè)計角度來看，LED車燈設(shè)計不僅要考慮LED本身的壽命和可靠性，LED驅(qū)動的壽命和可靠性也非常重要。從用戶角度來看，車燈系統(tǒng)需要具備節(jié)能、智能、可靠、標準化以及低成本等綜合特征［1］。由于LED的亮度與其輸入電流之間不完全是線性關(guān)系，導(dǎo)致當前大部分采用LED恒流驅(qū)動實現(xiàn)的LED功能在長時間點亮過程后出現(xiàn)顏色偏移、均勻性變差等問題［2］。為了解決這些問題，PWM （脈沖調(diào)制） 技術(shù)是當前最好的技術(shù)手段。作為實現(xiàn)車燈單光源多功能的基礎(chǔ)性技術(shù)，LED調(diào)光技術(shù)正被廣泛運用。在中大功率的LED調(diào)光技術(shù)中，如何基于PWM調(diào)光技術(shù)在設(shè)計中進行拓撲結(jié)構(gòu)選擇，如何更好地發(fā)揮驅(qū)動的使用效率也一直是當前設(shè)計中面臨的難點。

2 LED對電路驅(qū)動的總體設(shè)計要求

2.1 LED的工作特點

LED是單向?qū)щ娖骷?，必須用直流或單向脈沖電源給LED供電。LED同時又是PN結(jié)，具有勢壘電勢，正常工作時，LED正向工作電壓為3～4V。在LED的伏安特性曲線中，流過LED兩端的電流和電壓是非線性關(guān)系，且當電壓發(fā)生微小變化時，電流會有非常大的變化，因此LED必須采用恒流源驅(qū)動［3］，否則過大的電流脈沖會導(dǎo)致LED損壞。另外，LED亮度與LED兩端的電流之間也是非線性關(guān)系，這決定了恒流源的電流輸出必須非常穩(wěn)定才能保證LED亮度的穩(wěn)定性，從而保證LED長時間點亮的顏色和均勻性不發(fā)生變化。

2.2 白光LED對驅(qū)動的主要要求

1） 效率高的電源。電源必須是高精度的恒流驅(qū)動，且驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單，占用體積小，能量轉(zhuǎn)換效率高。對于多路輸出，每一路輸出必須能單獨控制［4］。由于LED本身的抗浪涌能力差，因此要求驅(qū)動電路具有良好的浪涌保護性能。另外，LED溫度熱保護、電磁兼容方面也需要滿足規(guī)定的要求。

2） 對于多功能結(jié)構(gòu)，驅(qū)動必須具備線性度好的調(diào)光功能。

3） LED車燈功能啟動和關(guān)閉時，保證LED能完全從電源端接通和切斷，不要出現(xiàn)閃爍。

3 PWM調(diào)光及優(yōu)勢

3.1 PWM調(diào)光原理

圖1為PWM的調(diào)光原理。由于LED的亮度與PWM占空比之間成線性關(guān)系，因此，輸入恒定的PWM占空比可以實現(xiàn)LED亮度和顏色的穩(wěn)定性，這是PWM調(diào)光方式的顯著優(yōu)勢。

圖1 PWM的調(diào)光原理

PWM調(diào)光是通過PWM方波實現(xiàn)正向?qū)↙ED，并通過改變其正向?qū)〞r間來實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)的一種方法。從理論上講，采用PWM調(diào)光的LED一直處于時亮?xí)r暗的閃爍狀態(tài)，但由于人眼對亮度閃爍不夠敏感的特性，即當閃爍頻率超過100Hz時，人眼看到的只是LED的平均亮度，而不是LED的閃爍現(xiàn)象。另外，對于大于100Hz的光閃爍，人眼對亮度的感知是一個累積效應(yīng)，即在一個PWM周期內(nèi)，LED點亮?xí)r間所占的比例越大，人眼就感覺越亮?；谶@種原理，只要調(diào)整PWM一個周期內(nèi)輸入電流的時間，即調(diào)節(jié)PWM占空比，即可以實現(xiàn)LED亮度的調(diào)節(jié)［5］。

具體實現(xiàn)PWM調(diào)光的方法就是在LED的負載中串入一個MOS開關(guān)管或者直接驅(qū)動LED，通過不同的占空比設(shè)置來實現(xiàn)調(diào)節(jié)亮度的目的。

3.2 PWM調(diào)光方式的特點

與模擬調(diào)光相比，PWM調(diào)光的優(yōu)缺點見表1。

表1 PWM調(diào)光和模擬調(diào)光的優(yōu)缺點

4 典型PWM驅(qū)動白光LED電路研究

利用PWM信號調(diào)光有以下3種方式。

1） 直接用PWM信號控制

如圖2所示，PWM信號直接驅(qū)動LED D2。如果PWM信號來源于芯片端口，由于端口的電流輸出能力較低，一般為幾十毫安左右，在這種情況下，該電路只能驅(qū)動小功率的白光LED，如作為車燈的位置燈或內(nèi)部照明小燈或氛圍燈功能單獨使用。如果該電路中采用中等功率LED，則PWM的信號可以單獨采用線性電路來獲得，在這種情況下，由于線性電路的PWM波形輸出精度不高，會導(dǎo)致LED亮度的穩(wěn)定性差，而且會發(fā)生顏色偏移的問題。

圖2 PWM信號直接驅(qū)動LED

2） 通過晶體管（或MOS管） 進行控制

圖3 采用MOS管驅(qū)動LED

與上述直接與LED連接PWM信號的電路對比，采用MOS管作為開關(guān)管來調(diào)節(jié)LED亮度的方式運用范圍更廣。如圖3所示，在電路設(shè)計中，一般MOS管布置在LED的負極，LED正極由一個穩(wěn)定電源來供電。在電路工作中，只需要在MOS管的柵極提供較為微弱的PWM控制信號，就可以通過開閉MOS的漏極和源極來點亮或關(guān)閉LED。由于電源VCC可以直接給LED供電，因此該電路可以實現(xiàn)中大功率白光LED驅(qū)動。在調(diào)光實現(xiàn)方面，除了輸入不同占空比實現(xiàn)LED調(diào)光外，調(diào)節(jié)電阻R1也可以進行亮度調(diào)節(jié)，這種方式一般運用在多串LED電路的電流調(diào)節(jié)以保證各串LED亮度一致［6］。該電路中，PWM信號可以來自外界環(huán)境（如環(huán)境照度的變化實現(xiàn)車燈亮度的調(diào)節(jié)） 或者與提供PWM信號的DC-DC開關(guān)電源或線性電源同時使用，用PWM的精度來保證LED顏色以及亮度穩(wěn)定性。

3） 利用微控制器（MCU） 產(chǎn)生PWM信號調(diào)光

如圖4所示，該電路由DC-DC開關(guān)電源或微控制芯片來直接實現(xiàn)白光LED的亮度調(diào)節(jié)。芯片與LED之間有多種連接方式，既可以由一個輸出通道實現(xiàn)所有LED控制，也可以每一個通道實現(xiàn)一串LED控制（對于多串LED拓撲結(jié)構(gòu)）。LED調(diào)節(jié)器在整個電路中起著功率補償作用，確保LED驅(qū)動器與LED調(diào)節(jié)器之間的電壓剛好達到LED所需的工作電壓。在電路中，白光LED的平均電流ILED可以按照下面的公式來計算：

圖4 采用微控制器來驅(qū)動LED

式中：ILED（max）——開關(guān)電源的最大輸出電流；SDUTY——脈沖信號的占空比。

這種方式是目前LED調(diào)光較為常見的方式。LED驅(qū)動在電路中，既作為電源供電，又用于LED調(diào)光。采用這種方式實現(xiàn)調(diào)光，一般外圍電路較為復(fù)雜，電磁兼容性能實現(xiàn)難度較高。

5 白光LED驅(qū)動設(shè)計實例

5.1 整體設(shè)計要求及思路

本項目中，需要實現(xiàn)日間行車燈、位置燈以及轉(zhuǎn)向燈三功能。從功率分配來看，在滿足法規(guī)的前提下，3個功能的功率消耗分別是：日間行車燈8W，位置燈2W，轉(zhuǎn)向燈7W。其中位置燈和日間行車燈采用單光源雙功能的實現(xiàn)模式，即采用PWM調(diào)光技術(shù)，既保證亮度的穩(wěn)定性，同時也保證所輸出的白光滿足5500±100K的色度要求。考慮到散熱和設(shè)計（造型，空間） 的便利性，將LED驅(qū)動板與LED電路板分開設(shè)計。驅(qū)動板主要用于LED電源的供給、PWM產(chǎn)生和控制、耐熱、電磁兼容等方面性能的保證。LED電路板采用獨特的拓撲結(jié)構(gòu)滿足發(fā)光的法規(guī)和造型的需求。圖5為位置燈/日間行車燈原理框圖。

圖5 位置燈/日間行車燈原理框圖

5.2 LED芯片的選型

為滿足上述要求，選用MCP19114/5芯片來實現(xiàn)，該芯片是一個數(shù)字增強型電源模擬同步下橋臂PWM控制器，具有升壓、降壓、升降壓、SEPIC等多種拓撲模式。內(nèi)部時鐘可以達到8MHz，PWM能保證±1%的精度。另外，該芯片具有完備的電路熱保護功能，且在-40～125℃的汽車級使用工況環(huán)境溫度下，滿足轉(zhuǎn)向燈、位置燈和日間行車燈溫度工況范圍，因此，MCP19114/5是一款基本能滿足本項目設(shè)計要求的控制芯片。

5.3 電路設(shè)計及工作原理

LED驅(qū)動是整個電路控制的核心部分。在本項目中，LED驅(qū)動的主要功能包括：與車身電壓信號的匹配，3個功能的邏輯實現(xiàn)，PWM信號及輸出，熱保護的邏輯控制，電磁兼容性能實現(xiàn)等。為防止芯片處于過溫狀態(tài)，電路可以實現(xiàn)150℃溫?zé)彡P(guān)斷。當結(jié)溫達到該閾值時，器件禁止輸出驅(qū)動器。在關(guān)斷模式下，芯片引腳PDRV和SDRV均禁止輸出，且芯片中PIR2寄存器中的過溫標志位 （OTIF） 置1。當結(jié)溫降低20℃到130℃時，MCP19114/5可恢復(fù)正常輸出驅(qū)動開關(guān)。原理圖如圖6所示。

圖6 原理圖

5.3.1 電源拓撲結(jié)構(gòu)的選擇

MCP19114/5可配置為升壓或SEPIC開關(guān)模式電源（Switch-ModePower Supply，SMPS） 模式。在升壓模式下，可采用非同步固定頻率或非同步準諧振控制。在該項目中，由于造型的需求，日間行車燈/位置燈電路板必須設(shè)計成狹長的結(jié)構(gòu)，因此，將8顆1W的LED設(shè)計成2串LED結(jié)構(gòu)。由于每顆LED的驅(qū)動電壓為4V，則整個LED串的電壓至少為16V，由于車身端的輸出電壓一般為穩(wěn)定的13.2V，因此LED驅(qū)動板必須采用升壓拓撲結(jié)構(gòu)，以滿足LED電路板的電壓使用需求。LED驅(qū)動采用升壓拓撲結(jié)構(gòu)來滿足2串LED的輸入要求。

5.3.2 PWM占空比的確定

當MCP19114/5的開關(guān)頻率不是由DESAT比較器輸出控制時，則由單邊沿8MHz內(nèi)部時鐘產(chǎn)生。通過配置PR2寄存器設(shè)置MCP19114/5開關(guān)頻率。驅(qū)動允許的最大占空比可進行調(diào)節(jié)并由PWMRL寄存器控制。開關(guān)頻率的可編程范圍為31.25kHz～2MHz。低于2MHz的可用開關(guān)頻率定義為FSW=8MHz/N，其中N為整數(shù) （4≤N≤256）。PWM的占空比由輸入給PWMRL的寄存器確定的，一般采用如下公式來計算：

其中，PWMRL位可以隨時寫入，但在PR2與TMR2之間發(fā)生匹配后，占空比會鎖存到PWMRH中。

5.3.3 PWM的控制邏輯

PWM控制邏輯實現(xiàn)了標準的比較器模塊，可識別輸入欠壓、輸入過壓和退飽和檢測之類的故障?？刂七壿嬙谟布蠄?zhí)行操作來適當使能/禁止輸出驅(qū)動（PDRV/SDRV），以及設(shè)置由軟件讀取的相應(yīng)中斷標志位。

由于該芯片是具有數(shù)字外設(shè)的模擬控制器，相關(guān)配置只需要設(shè)置相關(guān)的寄存器即可。故在此不一一詳述。

6 LED驅(qū)動樣件研制及測試

1） LED驅(qū)動樣件研制

在綜合分析設(shè)計要求后，對LED驅(qū)動設(shè)定相關(guān)參數(shù)后，對LED驅(qū)動的電路進行了研究，并制作了如圖7所示的電路樣件。電路板采用雙層布線，對元器件布線后進行了模擬仿真，并在LED驅(qū)動電路板外部增加了防護罩，增加抗電磁干擾等級。

圖7 LED驅(qū)動樣件

2） PWM設(shè)定頻率的調(diào)試

在正常的通電情況下，測試日間行車燈工作時輸出端的工作頻率，測試結(jié)果顯示輸出引腳約為300kHz的信號，與設(shè)定結(jié)果相符。如圖8所示。

圖8 PWM的頻率調(diào)試

3） 在不同溫度和電壓下的電流測試

根據(jù)測試條件，測試了在-40℃，23℃，85℃下，輸入電壓分別為9V，12V，14V，16V下的三溫度/四電壓下的電流，發(fā)現(xiàn)所有LED電流值均維持在300mA左右，且LED沒有發(fā)生閃爍或熄滅問題，說明恒流輸出性能滿足要求。

4） 電磁兼容性能的測試

基于PSA集團技術(shù)規(guī)范B21 7110的法規(guī)要求，完成了30多個電磁輻射、電磁耐受、靜電排放、電器特性等方面的實驗。從試驗結(jié)果來看，整個過程中無LED閃爍、異常熄滅等方面的問題，說明電磁兼容方面的性能基本滿足要求。

7 結(jié)語

本項目設(shè)計了基于MCP19114/5芯片的汽車日間行車燈/位置燈/轉(zhuǎn)向燈中等功率白色LED串驅(qū)動電路，并制作了電路樣件。測試結(jié)果表明，該LED驅(qū)動硬件部分運行正常，在汽車級輸入電壓9～16V及工況溫度下，輸出給LED的電流穩(wěn)定。耐熱性能和電磁兼容性能滿足測試要求。相比于其他同類產(chǎn)品，本項目的驅(qū)動電路具有恒流精度高、拓撲模式多、輸出電流穩(wěn)定、散熱性能和電磁兼容性能好等特點。該產(chǎn)品的研制工作將為汽車中等功率的LED驅(qū)動（轉(zhuǎn)向燈、制動燈、倒車燈等） 的電路設(shè)計具有一定的借鑒意義。