一种LED汽车前照灯的电路驱动设计及实现_马永胜

0引言
随着 LED 技术的发展，白光 LED 的光通量大 幅度提高，与传统的汽车前照灯光源卤素灯相比，白 光 LED 具有节能、环保、使用寿命长、体积小、性能 稳定、设计灵活性强等优点，使其能够满足汽车前照 灯的高要求。基于上述特点，LED 汽车前照灯有着 广阔的应用 空 间，其 光 学、热 学 设 计 也 在 快 速 的 发 展［1］，同时现 有 驱 动 存 在 恒 流 精 度 不 高，输 出 电 流 纹波较大，发热量高、频闪，EMI 等问题，所以对 LED
由此可以得出：ILP = 7. 9 A。 最小电感值由下式决定：
LMIN
=
（ VINMIN － VFET ） × DMAX fSW × ΔIL
（9）
由此式可以计算出电感最小值为：5 uH，本研究
设计中取 L2 = 1 μH，型号为 7447709100。其额定
电流为 7. 1 A，饱和电流为 10. 5 A，满足计算要求。
1． 4 电路设计及工作原理
为满足 LED 汽车前照灯驱动在性能、体积等方 面的要求，研究以 MAX16833 恒流驱动芯片为主要 部件，驱动电流为 1. 2 A，芯片具有过流、过压、负载 短路等功能。同时对电路的开关频率进行了选择， 设定 了 工 作 电 流、过 压 值，对 输 入 电 容、输 出 电 容、 MOS 开关管，输出开关二极管进行了计算选型［5］， 设计研制 LED 汽车前照灯恒流驱动电路，LED 恒流 驱动电路如图 1 所示。
VOV
= 1. 23（ R5 + R11 ） R11
（5）
LED 串 的 电 压 值，为 24V，输 入 的 最 大 电 压
16 V，设定在 44V 时过压保护电路启动。R11 阻值为 10 kΩ，R5 的阻值为 350 kΩ 满足设计要求。
（4） 电感的选择（ BUCK-BOOST）
为了选 择 合 适 的 电 感 量，需 要 计 算 最 大 占 空
收稿日期： 2015-04-14 修订日期： 2015-06-03
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电压要求 12V，但由于汽车电瓶电压波较大，所以设 计时要求输入电压范围：9 ～ 16V［2］。为达到光学的 技术性能，LED 驱动电流需要达到 1． 2A，电流的精 度达到 10% ，驱动效率达到 85% 以上。目前的 LED 白光光通量 LED 驱动灯的数量近光需要 8 颗，电路 需要有 LED 短路、断路、过压、过流等保护功能。
1． 3 驱动及控制芯片选择
美信集成产品（ Maxim Integrated Products） 推出 用于 boost、buck-boost 和 buck 配置的高压 HB LED 驱动器 MAX16833，该组件采用完备的短路保护，透 过单线连接至 LED，并具有内部频率抖动功能，此 功能能够有效的解决 EMI 问题。这些特性使设计 人员可以轻松满足日间行驶灯 （ DRL） 、位置灯、转 向灯和远 /近光灯等大功率汽车照明应用对可靠性 的苛刻要求。芯片采用 16 脚 TSSOP 封装，工作在 － 40℃ ～ + 125 ℃ 汽车级温度范围。MAX16833 芯 片的性能能够满足驱动设计需求，所以选用此芯片 作为 LED 汽车前照灯驱动核心器件。
（5） 输入电容选择
电路工作于 BUCK － BOOST 模式时，输入电流
是连续 值，电 流 纹 波 的 有 效 值 较 小。电 容 容 值 及
ESR 影响电流纹波。由下式可以计算输入电容的
最小值及 ESR 的最大值。
CIN
≥4
ΔIL × DMAX × ΔVQ_IN × fSW
（10）
其中，ΔVQ_IN 是 由 于 电 容 放 电 产 生 的 纹 波 电 压；
ΔVQ_IN占最大纹波的 95% ，
ESRCIN
＜
ΔVESR －IN ΔIL
（11）
其中 ΔVESR_IN 是由于电容 ESR 产生的纹波，占
最大纹波电压的 5% 。
假定输入纹波的最大值在最小输入电压为 6 V
时产生，误 差 为 2% ，最 大 纹 波 电 压 为 120 mV，则
ΔVQ_IN = 0. 114 V，取 ΔVESR_IN = 0. 006 V。根据公式 （10） 和公式（11） 可以得到：
1． 2 驱动方式及驱动拓扑选择
目前 LED 的驱动方式有电阻式驱动，线性恒流 驱动，DC / DC 开关电源型恒流驱动三种［3］。三种驱 动各有优缺点：电阻式和线性驱动不用考虑 EMI 问 题，元件较少，成本较低。但是效率稍低一些，需要 较大的散热器，仅能工作于降压模式。DC / DC 开关 电源型恒流驱动，EMI 处理较复杂，但驱动效率高， 节省汽车宝贵的电力资源，同时能提供多种拓扑结 构，这是线性稳压器所不具备的。考虑到散热效率、 安装尺寸、工作电压等因素后，电路设计采用 DC / DC 开关电源恒流驱动方式。DC / DC 开关电源驱动 拓扑结构分为降压型（ BUCK） 、升压型（ BOOST） 及 升降压型（ BUCK-BOOST）［3 － 4］，由于本研究设计中 LED 的数量是 8 颗，LED 输出电压为 24V，为了产品 开发 兼 容 性 需 要，所 以 选 用 升 降 压 型 （ BUCK － BOOST） 拓扑结构。
图 1 LED 恒流驱动电路图
恒流驱动电路主要部件选型如下： （1） 开关频率的 fSW选择 此芯片的工作频率的范围为 100 kHz ～ 1 MHz， MAX16833 的开关频率可以通过外部电阻编程得到 所需要的频率。选择频率可以由下式得出：
fSW（ kHz）
=
7 350（ kΩ） RRT（ kΩ）
ILED
=
200mV R7
（2）
当 VICTRL ＜ 1. 2 V 时，LED 电流由下式决定：
ILED
=
VICTRL R7 × 6. 15
（3）
其中：
VICTRL
=
VREF × R8 （R8 + R9）
（4）
VREF 引 脚 输 出 1. 64 V 的 电 压。取 R8 的 值 为
27 kΩ，R9 的值为 23 kΩ，当驱动电流 1. 2 A 时，根据
CIN
≥4
ΔIL × DMAX × ΔVQ_IN × fSW
= 18. 6 μF
ESRCIN
＜
ΔVESR_IN ΔIL
=
1. 9 mΩ
本研究设计中： C3，C4，C5，C6，C22，C23 为
3. 3 μF，且 ESR 小于 1. 9 mΩ 的输入电容。
（6） 输出电容选择
输出电容一方面有滤波作用，一方面给 LED 提
公式（3）和公式（4）计算可以得到 R7 的值：
R7
=
（ R8
VREF × R8 + R9 ） × ILED
× 6. 15
= 0. 12Ω
同时在设计时考虑尽量减少 R7 上纹波值不能
超过 40 mV。
（3） 设定过压值
当芯片引脚 OVP 的电压超过 1. 23 V 时，过压
电路启动。过压值通过公式来设定。
汽车 前 照 灯 的 电 路 驱 动 研 发 十 分 必 要。研 究 以 MAX16833 为核心部件设计了 LED 汽车前照灯电 路驱动的硬件部分，较好的解决了电波纹波大，驱动 效率低的问题，实现了 LED 汽车前照灯硬件平台 开发。
1 LED 汽车前照灯驱动的硬件设计
1. 1 驱动设计需求
LED 汽车前照灯驱动技术要求较为严格，一般
比 DMAX ，
DMAX
=
VLED
VLED + VD + VD + VINMIN
－ VFET
（6）
其中：VLED 是 8 个 LED 串的电压值为 24 V，VD 是整
流二极管的压降，约为 0. 6 V，VINMIN是最小的输入电
压值：6 V，VFET是开关 MOS 管导通时的平均电压值
约为 0. 2 V。由公式（6） 可以得出：
供电流。输出电压的纹波由电容容量及 ESR 来决
定。由下式可以计算输出电容的最小值及 ESR 的
最大值。
COUT
≥
ILED × DMAX ， ΔVQ_OUT × fSW
（12）
其中，ΔVQ_OUT 是 由 于 电 容 放 电 产 生 的 纹 波 电 压，占
（1）
其中，RRT（ kΩ） 是从 RT / SYNC 连接到的阻值。
本研究设计中选取 300 kHz 作为本研究设计的
开关频率，R13 的值为 24 kΩ。
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（2） 设定工作电流
通过 R7 设定工作电流，当 VICTRL ＞ 1. 23 V 时， LED 电流由下式决定：
马永胜
( 亮锐商贸( 上海) 有限公司，上海 200233 )
摘 要： 简要叙述了 LED 汽车前照灯驱动设计需求及驱动方式、拓扑的选择，进行了以 MAX16833 为核心的汽车前照灯驱动硬件平台的设计和实验研究，对主要的元件进行了分析计算及选型，研制 了试验样机，进行了样机的调试和有关试验。试验表明，系统各部分运行正常，实现了汽车大灯的 光功能要求，与同类产品相对比，散热效果好，效率更高，输出电流纹波更小，为 LED 汽车前照灯的 驱动开发奠定了基础。 关键词： LED 驱动; MAX16833; 汽车前照灯; 硬件设计 中图分类号： TN710； TN702； TN79 文献标识码：A 文章编号： 1673-5692（2015）03-321-06
Design and Realization of Automotive LED Front Light Circuit Driver
MA Yong-sheng