一种LED汽车前照灯的电路驱动设计及实现_马永胜
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第3 期 2015 年 6 月
檵檵檵檵檵檵檵檵殝
工程与应用
Journal of CAEIT
Vol． 10 No． 3 Jun． 2015
doi： 10． 3969 / j． issn． 1673-5692． 2015． 03． 020
檵檵殝
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一种 LED 汽车前照灯的电路驱动设计及实现
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
（ Liangrui Commercial Co，Ltd． ，Shanghai 200233，China）
Abstract： By studying the driver design requirements，the driving modes and the topology selection of the LED automotive headlamp，a systematic design and experimental study of the automotive headlamp driver hardware platform based on MAX16833 is introduced． The analysis and calculation and a full methodology of the selection of main components of the driver hardware platform is provided． According to the parameter of the components，a prototype has been developed and debugged． The testing results show that the prototype meets the design requirements and functions well and the driver efficiency higher and output ripple current smaller than the similar products． These studies provide the base function for car headlight driver． Key words： LED driver； MAX16833； automotive front light； hardware design
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
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
收稿日期： 2015-04-14 修订日期： 2015-06-03
322
2015 年第 3 期
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． 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。
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。
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。
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）
（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。
2015 年第 3 期
马永胜：一种 LED 汽车前照灯的电路驱动设计及实现
323
（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：
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
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。
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
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：
DMAX
=
VLED
VLED + VD + VD + VINMIN
－ VFET
= 0. 81
平均电感电流由最大占空比和 LED 电流决定：
ILAVG
=1
ILED － DMAX
（7）
由此可以得出：ILAVG = 6. 3 A；
尖峰电感电流值由下式来决定：
ILP
=
ILAVG
+ ΔIL 2
（8）
ΔIL 是 电 感 电 流 峰 峰 值，取 平 均 电 流 的 一 半。
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。
（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：
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
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
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工程与应用
Journal of CAEIT
Vol． 10 No． 3 Jun． 2015
doi： 10． 3969 / j． issn． 1673-5692． 2015． 03． 020
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一种 LED 汽车前照灯的电路驱动设计及实现
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
（ Liangrui Commercial Co，Ltd． ，Shanghai 200233，China）
Abstract： By studying the driver design requirements，the driving modes and the topology selection of the LED automotive headlamp，a systematic design and experimental study of the automotive headlamp driver hardware platform based on MAX16833 is introduced． The analysis and calculation and a full methodology of the selection of main components of the driver hardware platform is provided． According to the parameter of the components，a prototype has been developed and debugged． The testing results show that the prototype meets the design requirements and functions well and the driver efficiency higher and output ripple current smaller than the similar products． These studies provide the base function for car headlight driver． Key words： LED driver； MAX16833； automotive front light； hardware design
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
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
收稿日期： 2015-04-14 修订日期： 2015-06-03
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2015 年第 3 期
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． 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。
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。
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。
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）
（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。
2015 年第 3 期
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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：
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
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。
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
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：
DMAX
=
VLED
VLED + VD + VD + VINMIN
－ VFET
= 0. 81
平均电感电流由最大占空比和 LED 电流决定：
ILAVG
=1
ILED － DMAX
（7）
由此可以得出：ILAVG = 6. 3 A；
尖峰电感电流值由下式来决定：
ILP
=
ILAVG
+ ΔIL 2
（8）
ΔIL 是 电 感 电 流 峰 峰 值，取 平 均 电 流 的 一 半。
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。
（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：
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
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