高效的LED車內(nèi)照明設備的實現(xiàn)方法
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LED正在被許多汽車照明系統(tǒng)所使用。正是由于LED具有尺寸小、效率高的優(yōu)點，使之適用于車內(nèi)照明。因此，近來在開發(fā)高效能低消耗LED的過程中所取得的進展，使這種照明光源在汽車內(nèi)部照明系統(tǒng)設計時成為一種技術性選擇。但是，想要驅(qū)動這些器件使之發(fā)揮最佳性能，卻是一門藝術。
LED需要專門的工作電流，需要在一個標準寬度的值域當中擁有調(diào)整LED正向電流的辦法與精準性，需要車用電池組與充電系統(tǒng)以及串聯(lián)限制電阻器。
在調(diào)節(jié)LED工作電流時創(chuàng)新使用標準N型溝道耗盡型晶體管(JFET)比使用電阻能獲得更好的效果。JFET可以被看作是一個壓控電阻。通過簡單地調(diào)節(jié)柵源極電壓，使源極能夠提供相對穩(wěn)定的電流，以此作為串聯(lián)LED的電流源。當漏極電壓與未經(jīng)調(diào)整的開關型蓄電池相通連時，便能提供一個相對穩(wěn)定的電流，與標準電阻相比，使用JFET能提供更高的效率。
LED車內(nèi)照明將可應用在：儀表盤背光；控制臺背光；頂燈；便捷光源；RGB基調(diào)光源。
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電路拓撲結(jié)構(gòu)、驅(qū)動器電流要求和熱管理特別注意。圖1所示電路幾乎涉及所有汽車LED光源應用。如果LED電流低于100mA(大多數(shù)車內(nèi)照明應用的類型都是背光或開關照明，電流一般為30mA)，電阻阻值可由串聯(lián)在LED兩端的導通電壓(Vfwd)計算得出。當使用13.5 V之類的特殊電源電壓時，電阻值的確定如下所示：
Vsupply - Vsw_bat - Vrpp -I_led*R1 - 2 Vfwd=0 V
Vsw_bat = 0 V
Vsupply = 13.5 V (一般情況)
Vrpp = 0.8 V
Vfwd = 3.5 V
I_led = 30mA
R1 = 13.5 - 0.8 - 2*(3.5) = 190 Ω/30
由專用電阻來調(diào)整LED電流的方法已被大家所熟知，并且可通過選用一個阻值在一定范圍內(nèi)的電阻作為補償來解決LED最壞情況下的Vfwd壓降問題。然而，供電電壓在9V至18V之間變化，LED電流也隨之改變。在同樣190Ω電阻和9V電壓情況下重新調(diào)整公式，I_led值變?yōu)?.3mA.假定所有的參數(shù)保持不變，供電電壓上升至18 V時I- led值為53mA。
儀表板通常都要有背光，以便使駕駛員能夠在光線較弱的條件下看清儀表盤和指針。首先，亮度調(diào)節(jié)能力是最重要的——能提供100 : 1的亮度調(diào)節(jié)比。此外，為了方便駕駛員對汽車狀態(tài)進行了解，一些指示用燈也需要背光，例如安全氣囊檢驗、動力系統(tǒng)狀態(tài)、液面情況等等。一般情況下，最多能同時應用30個LED。
將圖1中的LED連接擴展為6路并聯(lián)，并且在低壓的一端由晶體三極管提供脈寬調(diào)制(PWM)光線調(diào)節(jié)功能。先前計算出的電阻阻值用以調(diào)整LED的正向電流，因此，在給定電源電壓的條件下，總電流的大小由LED并聯(lián)支路的數(shù)量決定。同樣，供電電壓在9V至18V之間變化，LED電流也隨之改變。在實際應用中，供電電壓為9V時，LED必須發(fā)出足夠高的亮度以便讓駕駛員能夠正確讀出儀表板讀數(shù)。在18V時，印刷電路板(PCB)的發(fā)熱問題又會凸顯，這就需要我們對由此引發(fā)的最壞狀背光燈所使用的LED導通電壓隨顏色而定，紅色、橙色、綠色和淡黃色LED的導通電壓為2.4V，藍色和白色LED可高至3.8V。如果在串聯(lián)情況下前兩個LED導通電壓為2.4V，那么恭喜你還可以再串聯(lián)一個LED。也就是說，如果我們在一組LED中使用了一個標準的白光燈，那么此支路上的LED數(shù)就被限定為兩個。如果車輛在維修時蓄電池極性接反，可產(chǎn)生高達- 15V的反極性電壓，此時需要一個反極性保護二極管。LED的反向額定電壓一般為- 5V，因此，在極性相反的情況之下，我們需要一個阻塞二極管來保護LED。
有一種通過控制電路低壓端電壓來調(diào)節(jié)LED亮度的方式，主機可通過偏壓電阻、晶體三極管或數(shù)字晶體三極管(如MMUN2211系列)來作為一個簡單接口對LED進行控制。晶體三極管具有集成Rb和Rbe電阻，因此使用邏輯電平信號便足以驅(qū)動基本的發(fā)射極電路。通過使用這樣的晶體三極管并以單頻控制PWM的占空比，可為電路中的LED提供一個較寬的亮度調(diào)節(jié)范圍。
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不只是LED驅(qū)動，有很多電路應用都需要低成本的固態(tài)穩(wěn)流器。因此，一個固態(tài)穩(wěn)流器應包含以下幾點因素：低成本；在較寬的導通電壓范圍內(nèi)保持電流穩(wěn)定；以低導通電壓運行時壓降較小；導通電壓過高時可進行功率限制；為并聯(lián)應用提供理想的雙端電流源；為LED亮度調(diào)節(jié)提供高頻PWM控制；對直接引入的射頻能量具有抗磁化特性；具備高等級的靜電抗干擾能力。
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用耗盡型N溝道場效應管替換圖1電路中的190歐姆電阻便可成為圖3所示電路。簡單地將柵極與源極短接，通過使用1 V以上的電壓將漏極與源極偏置，可產(chǎn)生LED驅(qū)動電流。值得一提的是，在使用JFET代替電阻來調(diào)整LED正向電流的過程中，當漏源電壓增大(電池電壓變化)時，電流仍可保持相對穩(wěn)定。圖4顯示了JFET的穩(wěn)流特性，在供電電壓的正常工作范圍內(nèi)，可通過測定JFET的伏安特性曲線來深入了解它的這一特性。
如圖4所示JFET伏安特性曲線，首先是線性區(qū)域，通過JFET的電流隨著漏-源極間的壓降增大而呈線性增長。這個區(qū)域的電壓范圍相對較窄(大于LED前向壓降且小于1.5V)。我們可以比較一下，同樣在9V供電輸入的情況下圖１和圖3中LED的電流有何不同。圖1中電路取反極性二極管壓降為0.8V，留給190歐姆電阻1.2V電壓，此時LED電流6.3 mA。而圖3電路中JFET壓降1.2V，這就使LED的電流變?yōu)?1mA。因此我們看到，在較低的線路電壓條件下，使用JFET偏置方法所提供的LED電流約為圖1中供電方式的3.5倍。這類似于線性調(diào)壓器中對驟降電壓的控制。這種較低的跌落電壓特性可以在車用蓄電池電量不足的情況下為LED提供較大的電流和照明亮度。
圖4中接下來的區(qū)域是恒流區(qū)，此區(qū)域電壓范圍為1.5 V(LED導通電壓)至大約6 V ( Vbattery為9.2 V至14.5 V)。此恒流區(qū)明確了JFET飽和漏極電流Idss的大小。通過將柵極與源極短接，此區(qū)域內(nèi)的Idss便成為恒流源電流，并且，此恒定電流值可根據(jù)需要選取。
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