汽車LED前照燈控制系統(tǒng)及方案優(yōu)化設計

【摘 要】隨著LED前照燈復雜度、集成度及智能化程度的不斷提高，汽車LED前照燈控制系統(tǒng)面臨著簡化設計、提高效率和降低成本等諸多挑戰(zhàn)。針對目前的現(xiàn)狀，文章提出一種集成近光、遠光、角燈的LED前照燈控制系統(tǒng)，并著重對該控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)、芯片參數(shù)和方案進行新探索、設計和優(yōu)化，可實現(xiàn)汽車前照燈的精準控制，使之具有高驅(qū)動效率、低能耗、高集成度、高性價比的優(yōu)點。在汽車LED前照燈控制系統(tǒng)的電路設計和元器件選型等領(lǐng)域，具有重要的指導意義和較高的應用意義。

【關(guān)鍵詞】LED前照燈;控制系統(tǒng);芯片;瞬態(tài)浪涌功率;電感值

中圖分類號：U463.65 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）09-0041-03

The Optimization Design of Automotive LED Headlamp Control System and Scheme

WAN Guoyi，LAN Jinyao，YU Chuanjie，MO Shizhan

（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou 545007，China）

【Abstract】With the continuous improvement of LED headlamp complexity，integration and intelligence，automotive LED headlamp control system is facing many challenges such as simplifying design，improving efficiency and reducing cost. In view of the current situation，this paper proposes an integrated low light，high light，Angle light LED headlight control system，and focuses on the key parameters of the control system，chip parameters and schemes for new exploration，design and optimization，which can realize the precise control of automotive headlights，so that it has the advantages of high drive efficiency，low energy consumption，high integration，high cost performance. In the field of circuit design and component selection of automotive LED headlight control system，it has important guiding significance and high application significance.

【Key words】LED headlight;control system;chip;transient surge power;inductance value

隨著汽車智能化程度的不斷提高及汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，LED前照燈在汽車上的應用越來越普及，各方對夜間行車安全的重視程度也在不斷加強，促使人們對汽車LED前照燈的要求也不斷提高，而夜間汽車前照燈的亮度、照射寬度、照射距離等都關(guān)系到夜間行車的安全。因此，人們對汽車前照燈的要求由原來只需滿足基本的法規(guī)要求轉(zhuǎn)變?yōu)橐笃嚽罢諢粜枵盏脤?、照得遠且性價比高。要滿足人們對汽車前照燈性能的需求，汽車LED前照燈就必須具備更多顆數(shù)的LED，這會造成汽車前照燈的功率急劇加大，因而如何設計一種高驅(qū)動效率、低能耗、高集成度、高性價比的LED前照燈控制系統(tǒng)來驅(qū)動和控制LED的點亮已成為LED前照燈領(lǐng)域的研究熱點。

諸多專家學者對大功率LED前照燈控制系統(tǒng)的方案設計和關(guān)鍵電路進行了研究，研究表明LED前照燈的控制系統(tǒng)必須輸出恒定的電流才能保證LED前照燈正常穩(wěn)定工作[1-3]。馬永勝[4]對LED前照燈驅(qū)動硬件進行設計和研究，并進行關(guān)鍵元器件的選型，其研究結(jié)果表明，該驅(qū)動系統(tǒng)可以對大功率LED前照燈進行控制，并且具有較高的驅(qū)動效率，達到86%。劉攀[5]等人對LED前照燈的芯片選型、EMC設計進行了介紹，其研究成果為LED前照燈控制系統(tǒng)的設計提供了指導。

盡管諸多專家學者對大功率LED前照燈控制電路進行了設計及研究，但仍然存在驅(qū)動效率不高、集成度不高的問題，不能實現(xiàn)采用一顆芯片就可以控制近光、遠光、輔助遠光、角燈的點亮。本文基于單一芯片采用DC-DC升壓技術(shù)實現(xiàn)對近光、遠光、角燈的控制，并對該控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)、芯片參數(shù)和方案進行設計優(yōu)化和研究。

1 LED前照燈控制系統(tǒng)方案

LED前照燈控制系統(tǒng)關(guān)系著整個LED前照燈能否正常運行及運行效率。本研究將從以下兩個方面介紹LED前照燈控制系統(tǒng)的方案。

1.1 LED前照燈與整車的控制邏輯及通信架構(gòu)

LED前照燈與整車的控制邏輯及通信架構(gòu)主要由開關(guān)、車身控制器、線束、LED前照燈控制器、光學器件5個部分組成。其中LED前照燈控制器采用硬線與車身控制器進行電氣連接和通信。當開關(guān)切換至近光擋時，將近光開啟信號傳遞給車身控制器，車身控制器接收到近光開啟信號后，將穩(wěn)定的12V電壓輸給LED前照燈控制器，LED前照燈控制器經(jīng)過內(nèi)部電路處理后給近光LED顆粒提供穩(wěn)定的電壓和電流，從而點亮近光。當開關(guān)切換至遠光擋時，將遠光開啟信號傳遞給車身控制器，車身控制器接收到遠光開啟信號后，將穩(wěn)定的12V電壓輸入給LED前照燈控制器，LED前照燈控制器經(jīng)過內(nèi)部電路處理給遠光LED顆粒和近光LED顆粒提供穩(wěn)定的電壓和電流，從而點亮遠光。當車輛發(fā)動機啟動或處于Ready擋，且車輛速度小于40km/h時，車身控制器接收到車輛開啟轉(zhuǎn)向燈或方向盤轉(zhuǎn)角大于45°的信號后，將穩(wěn)定的12V電壓輸入到LED前照燈控制器，LED前照燈控制器經(jīng)過內(nèi)部電路處理給角燈LED顆粒提供穩(wěn)定的電壓和電流，從而點亮角燈。LED前照燈與整車的控制邏輯及通信架構(gòu)如圖1所示。

1.2 LED前照燈控制系統(tǒng)架構(gòu)

LED前照燈控制系統(tǒng)主要包含輸入保護、輸入濾波、輸入欠壓保護、輸入過壓保護、升壓回路、輸出濾波、近光切換、遠光切換、角燈切換、LED顆粒等。LED前照燈控制器通過硬線與車身控制器進行電氣連接和通信，將車身控制器提供的電壓經(jīng)過芯片升壓處理后給近光LED、遠光LED、角燈LED提供穩(wěn)定的電壓和電流，從而控制前照燈近光、遠光、角燈的點亮，其控制原理如圖2所示。

2 LED前照燈控制系統(tǒng)電路設計

LED的亮度隨著流過的電流大小變化，因此要保持LED的亮度不變就必須為LED提供恒定的電流。本文采用DC-DC恒流芯片為LED提供恒定的電流。

2.1 LED驅(qū)動及控制芯片選擇

LED前照燈控制系統(tǒng)部分原理如圖3所示。LED前照燈控制近光、遠光、角燈的點亮，總共需要驅(qū)動點亮16顆LED，每顆LED的驅(qū)動電壓為3V，電流為1A，16顆LED均采用串聯(lián)的方式，因此芯片的輸出電壓必須大于48V，輸出電流大于1A。車身控制器輸入給LED前照燈控制器的電壓范圍為9～16V，紋波電壓為400mV，工作頻率為800kHz。但整車的工況復雜，其他用電器及外界環(huán)境也會對LED前照燈控制器產(chǎn)生干擾和影響，因此芯片的輸入輸出參數(shù)要求必須滿足表1的要求。本研究選擇的芯片型號為ICL8332A，可滿足要求。

2.2 LED前照燈控制系統(tǒng)主要參數(shù)計算

2.2.1 TVS管最大瞬態(tài)浪涌功率計算

經(jīng)計算，TVS管的最大瞬態(tài)浪涌功率>413W，結(jié)合汽車LED燈具的電源線浪涌電壓要求，因此本研究選擇最大浪涌功率為600W（10/1000μs標準波）以上的TVS管，壽命>10年，工作溫度范圍為-45～125℃。本研究實際采用的TVS為SMBJ30CA。TVS管選型參考式（1）～（4）進行。

（1）

（3）

（4）

式中：VRMW——最大反向工作電壓;VC-max——最大箝位電壓;VBR——反向截止電壓;Pact——最大瞬態(tài)浪涌功率。

2.2.2 占空比計算

LED前照燈控制器的占空比可以通過式（5）、式（6）進行計算。

式中：Dmin——最小占空比;Dmax——最大占空比;VOUT——最大輸出電壓;VIN-max——最大輸入電壓;VIN-min——最小輸入電壓。

2.2.3 電感的電感值計算及電感選擇

電感的峰值紋波電流為LED前照燈輸出電流的0.3倍，則電感值可以按照式（7）、式（8）進行計算。經(jīng)計算，電感的最小電感值為25.8μH。

式中：ILrip-max——電感的峰值紋波電流;IOUT-max——最大輸出電流;Lmin——最小電感值。

2.2.4 輸出電容計算及電容選擇

輸出電容的波電流為LED前照燈輸出電流的0.15倍，且所選用的LED動態(tài)阻抗為0.2Ω，因此16顆LED的總阻抗為3.2Ω，則輸出電容的紋波電壓為：

（9）

（10）

式中：Vripple-OUT——紋波電壓;COUT——輸出電容。

3 優(yōu)化設計及測試結(jié)果

LED前照燈控制系統(tǒng)在設計完成后，為保證整個控制電路穩(wěn)定、可靠運行，需要對每個電路的關(guān)鍵節(jié)點進行測試，同時需要對每個元器件的參數(shù)進行優(yōu)化設計。本研究截取部分測試結(jié)果進行闡述。

3.1 LED切換回路優(yōu)化設計

LED前照燈控制系統(tǒng)在控制近光、遠光、角燈點亮后，經(jīng)過控制芯片的升壓，將會產(chǎn)生48V甚至更高的電壓。然而當只點亮近光時，電壓只有21V，此時由于電壓的突變會導致切換回路產(chǎn)生很大的浪涌電流，該電流流過LED時會對LED產(chǎn)生損害，時間過長會影響LED的壽命。本文采用電容C13將該浪涌電壓耦合到三極管的基極，控制三極管的動態(tài)導通和關(guān)閉，從而實現(xiàn)MOS管的柵極與源極間呈可變電阻，其阻值隨著浪涌電壓的增大而增大，最終使浪涌電壓被消耗，繼而使浪涌電流被消耗。經(jīng)過實際計算和優(yōu)化設計，當C13的容值為220nF，R53為51kΩ時，浪涌電流最小且遠光、近光、角燈可正常切換。優(yōu)化前，遠近光切換時近光LED的峰值電流達到2.5A，優(yōu)化后降低到1.26A，降低了49.6%，如圖4、圖5所示。

3.2 測試結(jié)果

利用可調(diào)恒流電源在25℃、50%的環(huán)境下對LED前照燈控制系統(tǒng)的輸入和輸出參數(shù)進行測試，測試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)在6.5～25V的輸入電壓范圍內(nèi)，均能輸出1A的穩(wěn)定電流，輸出電壓可達到65V，可驅(qū)動16顆3W LED的點亮。其在9～16V時的輸入電壓與輸出電流的關(guān)系如表2所示。測試結(jié)果表明，當輸入電壓在12以上時，輸出電流可保持在1A以上。

4 結(jié)論

本文基于單一芯片采用DC-DC升壓技術(shù)實現(xiàn)對集成了近光、遠光、角燈的前照燈的控制和點亮，并對該控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)、芯片參數(shù)和方案進行了研究和設計優(yōu)化，并得出以下結(jié)論。

1）對控制器的占空比、電感值、電容值進行了設計計算和優(yōu)化設計，得出最大占空比為0.865，電感值為25.8μH，輸出電容值為3.1μF。

2）優(yōu)化前尖峰電流達到2.5A，優(yōu)化后尖峰電流只有1.26A，尖峰電流降低了1.24A。

3）當輸入電壓在12V以上時，輸出電流保持在1A左右。

參考文獻：

[1] 張強，景占榮，溫鵬，等. 汽車LED照明燈驅(qū)動系統(tǒng)的設計與仿真[J]. 電源技術(shù)，2012，36（10）：1565-1567.

[2] 王欽若，李志民，劉清詳，等. 無大電解電容的大功率LED驅(qū)動電源的設計[J]. 半導體光電，2013，34（6）：1082-1085.

[3] 司小平，蔡艷艷，常怡金. 一種大功率汽車LED前燈驅(qū)動電路的設計[J]. 控制工程，2016，23（6）：911-914.

[4] 馬永勝.一種LED汽車前照燈的電路驅(qū)動設計及實現(xiàn)[J]. 中國電子科學研究院學報，2015，10（3）：321-326.

[5] 劉攀，雷旭，初翔杰，等. 汽車LED前照燈驅(qū)動電路設計方案[J]. 時代汽車，2018（13）：128-130.

（編輯 凌 波）

作者簡介萬國義（1990—），男，工程師，主要從事汽車燈具技術(shù)研究工作。