汽車儀表背光燈的恒流源電路設(shè)計*

李 靜,蔡祥寶，陶志闊

(南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

汽車儀表背光燈的恒流源電路設(shè)計*

李 靜,蔡祥寶，陶志闊

(南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

汽車儀表LED背光燈的電源電路在高壓脈沖下會使電流不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致背光燈亮度有所變化。為了解決該問題，基于低功耗雙運(yùn)算放大器LM2904，設(shè)計了一種汽車儀表背光燈恒流源電路，并且對該恒流源電路部分參數(shù)進(jìn)行了仿真測試。結(jié)果表明該方案精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、成本低，具有一定的應(yīng)用參考價值。

汽車儀表；LED背光燈；LM2904; 恒流源電路

0 引言

隨著科技的飛速發(fā)展，LED作為一種新型的節(jié)能、安全、環(huán)保光源，具有體積小、耗電低、亮度高、 壽命長等傳統(tǒng)光源不及的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在汽車儀表的背光燈中[1-2]。由LED伏安特性曲線可知,LED光源的發(fā)光強(qiáng)度主要取決于流過它的電流，輕微的電流變化便會導(dǎo)致LED亮度的變化，因此其對電源的穩(wěn)定性要求極高[3-4]。

為了研究車載發(fā)電機(jī)電源在高壓脈沖下對汽車儀表LED背光燈亮度變化的影響，本文在ISO 7637-2 :2004 《道路車輛由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾》測試標(biāo)準(zhǔn)下，通過對汽車儀表LED背光燈車載系統(tǒng)環(huán)境的現(xiàn)實模擬，重現(xiàn)了車載發(fā)電機(jī)在高壓脈沖下導(dǎo)致汽車儀表LED背光燈亮度變化的場景[5]。為了改善這種不穩(wěn)定的情況，本文提出了一種基于低功耗雙運(yùn)算放大器LM2904和三極管設(shè)計的恒流源電路，并通過電路仿真對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測試。測試結(jié)果驗證了該方案具有精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，因此具有一定的可行性[6]。

1 ISO 7637標(biāo)準(zhǔn)實驗及結(jié)果分析

ISO 7637-2 :2004 《道路車輛由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾》標(biāo)準(zhǔn)定義了車載電氣設(shè)備上的電源電壓為12 V和24 V時電源線上的電瞬變傳導(dǎo)騷擾的發(fā)射和抗擾度性能測試標(biāo)準(zhǔn)。同時該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)車載電子設(shè)備的實際應(yīng)用物理環(huán)境，規(guī)定了相應(yīng)的測試波形，從而可以再現(xiàn)實際車載電器系統(tǒng)電源環(huán)境的極端狀態(tài)，系統(tǒng)的抗電源傳導(dǎo)瞬變騷擾能力提供了相應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)，具有很強(qiáng)的實踐指導(dǎo)意義[7]。因此，首先根據(jù)該國際測試標(biāo)準(zhǔn)模擬車載電源對汽車儀表LED背光燈的影響。

DUT(被測裝置)瞬態(tài)抗擾度的實驗采用試驗脈沖發(fā)生器的方法，典型測試脈沖5用來模擬交流發(fā)電機(jī)給蓄電池充電過程中，蓄電池突然斷開時對回路中其他電子設(shè)備產(chǎn)生的突升脈沖，這一卸載脈沖的幅值和強(qiáng)度主要取決于斷開時交流發(fā)電機(jī)的速度和勵磁電流。脈沖5有脈沖5a和脈沖5b兩種，其中脈沖5b是經(jīng)限幅二極管箝位的脈沖。脈沖5不僅考核了電源對電子設(shè)備的抗干擾能力，而且考核了對設(shè)備元器件的破壞性。脈沖5a波形如圖1所示，其對應(yīng)波形參數(shù)如表1所示。脈沖5b的波形如圖2所示，其對應(yīng)波形參數(shù)如表2所示[7]。

圖1 測試脈沖5a

根據(jù)ISO 7637-2:2004國際標(biāo)準(zhǔn)要求，對汽車儀表LED背光燈開展脈沖5b實驗。LED背光燈與車身電池KL30連接，當(dāng)車身電池KL30的電壓發(fā)生變化時，流過LED背光燈的電流也會相應(yīng)發(fā)生變化。所以當(dāng)車身電壓抑制管最高輸出電壓在36.8 V左右時，持續(xù)時間TD在40～400 ms之間，所產(chǎn)生的試驗脈沖如圖3所示，流過LED背光燈的電流變大，從而導(dǎo)致汽車儀表 LED背光燈變亮。為了改善此種情況，需要對流過LED燈的電流加以限制，因此必須提高車載電源的穩(wěn)定性[8]。

表1 測試脈沖5a

圖2 測試脈沖5b

參數(shù)12V系統(tǒng)24V系統(tǒng)Us/V65～87123～174Uts由客戶規(guī)定td與未抑制的值相同

圖3 測試脈沖5b波形圖

目前針對汽車儀表背光燈變亮問題已存在一些整改方案。比如，電源端增加瞬態(tài)抑制二極管TVS。TVS是普遍使用的一種新型高效電路保護(hù)器件，它具有極快的響應(yīng)時間(亞納秒級)和相當(dāng)高的浪涌吸收能力。當(dāng)它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，TVS能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩梗晕找粋€瞬間大電流，從而把它的兩端電壓箝制在一個預(yù)定的數(shù)值上，進(jìn)而保護(hù)后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。若對儀表進(jìn)行24 V過壓實驗，當(dāng)儀表有高壓脈沖信號時，該TVS二極管只能將脈沖信號鉗位到24 V，儀表背光燈若掛在36.8 V上仍會變亮，所以此方案只能起到一定的抑制作用。

對此，本文設(shè)計了一種恒流源電路對上述現(xiàn)象進(jìn)行改進(jìn)，其核心部件采用低功耗雙運(yùn)算放大器LM2904和三極管組成。LM2904是一個雙路通用運(yùn)算放大器，可以采用兩路恒流源處理，供給儀表不同器件的背光燈使用，根據(jù)汽車儀表背光燈的電流來選取不同阻值的電阻， 從而限制該路總電流，起到恒流作用[9-10]。

2 LED背光恒流源電路設(shè)計

2.1 恒流源系統(tǒng)設(shè)計框圖

本文設(shè)計的汽車儀表LED背光恒流源電路系統(tǒng)的組成框圖如圖4所示。它主要由輸入時鐘脈沖信號Vclock、低功耗雙運(yùn)算放大器LM2904、三極管Q、LED背光燈、車身電池KL30、電阻R等組成。首先給核心部件運(yùn)放LM2904正向輸入極提供幅度為5 V的脈沖信號Vclock，經(jīng)電阻分壓后可得運(yùn)放正極電壓，由于運(yùn)放在理想狀態(tài)下，根據(jù)“虛短”和“虛斷”可得運(yùn)放負(fù)極電壓以及與負(fù)極相連的三極管發(fā)射極的電壓。又由于該三極管發(fā)射極電壓是固定的，從而根據(jù)與發(fā)射極相連的電阻來確定經(jīng)三極管導(dǎo)通的電流是恒定的，該電流的大小由外接電阻的大小決定，因此該路提供恒定電流驅(qū)動LED負(fù)載，從而改善LED背光燈因車身電壓變化而突變的現(xiàn)象[7-8]。

圖4 LED背光恒流源電路系統(tǒng)組成框圖

2.2 LM2904運(yùn)放的選取

運(yùn)算放大器LM2904作為恒流源電路的核心部分，其內(nèi)部包括兩個獨(dú)立的低功耗雙運(yùn)算放大器LM2904YPTA和LM2904YPTB，為8腳雙列扁平式塑料封裝。具有內(nèi)部帶有頻率補(bǔ)償、直流電壓增益高、單位增益頻帶寬、功耗電流低等特點(diǎn)，適用于電源電壓范圍較寬的單電源或雙電源。目前該運(yùn)放在汽車及工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，其引腳圖如圖5所示。

圖5 LM2904引腳圖

2.3 恒流源電路設(shè)計

本文設(shè)計的恒流源電路，其輸出電流是恒定的。電路中的運(yùn)算放大器采用了帶負(fù)反饋的理想運(yùn)放LM2904；發(fā)光二極管diode的導(dǎo)通壓降為6 V(此處模擬了LCD屏內(nèi)部背光燈的壓降)；電阻的精度為0.1% ，阻值是：R1、R4、R6為10 kΩ，R2、R7、R8為1 kΩ，R3、R5為6.8 Ω；選取車身電壓KL30A為12.8 V(KL30A是KL30通過一個保護(hù)二極管得到的電壓)。恒流源的電路原理圖如圖6所示。

圖6 恒流源電路原理圖

在該圖中，BL_PWM為單片機(jī)MCU的輸出信號，信號波形為固定占空比的脈沖信號，信號幅值Vclock為5 V。當(dāng)BL_PWM為高電壓5 V時，R2與R1進(jìn)行分壓，運(yùn)放LM2904YPTA的正極電壓為：

(1)

式中：V(n_2)為運(yùn)算放大器LM2904YPTA正極電壓；Vclock為輸入脈沖信號；R1、R2為分壓電阻。由于運(yùn)放在理想狀態(tài)下，根據(jù)“虛斷”可知，運(yùn)放正極I+和負(fù)極I-電流約為零，故R4上無電流流過，從而R4上無壓降。所以電阻R3端的電壓V(n_4)等于運(yùn)放反向輸入端的電壓V(n_3)，即：

I+=I-≈0→V(R4)=0→V(n_4)=V(n_3)

(2)

式中：I+、I-分別為運(yùn)放的正負(fù)極電流；V(R4)為電阻R4兩端電壓；V(n_4)為電阻R3端電壓；V(n_3)為運(yùn)放負(fù)極電壓。再根據(jù)“虛短”可知：運(yùn)放正極電壓V(n_2)等于運(yùn)放負(fù)極電壓V(n_3)，從而電阻R3端的電壓V(n_4)等于運(yùn)放正極電壓V(n_2)，即：

V+=V-→V(n_2)=V(n_3)=V(n_4)≈0.45 V

(3)

由于R3阻值為6.8 Ω，故流過R3的電流I(R3)為：

(4)

式中：I(R3)為流過電阻R3的電流。又由于三極管Q1發(fā)射極的電壓是固定的，故此時通過三極管Q1電流I(Q1)為恒定值，約為66.8 mA。同時三極管Q1是一個基極電流控制的電路，故電阻R7上存在一定的電流，V(n_7)與V(n_8)之間存在一定的壓差。因此：

當(dāng)Q1導(dǎo)通時：

V(n_11)=V(KL30A)-V(diode)=12.8 V-6 V=6.8 V

(5)

式中：V(n_11)為三極管集電極電壓；V(KL30A)為車身電壓；V(diode)為二極管導(dǎo)通壓降。

當(dāng)Q1截斷時：

V(n_11)=V(KL30A)=12.8 V

(6)

圖7 LED連接電路圖

由于LM2904YPTA和LM2904YPTB是同一款芯片LM2904，此芯片內(nèi)有8個pin腳且內(nèi)部集成了兩個運(yùn)放。為了便于理解，在圖6中將兩個運(yùn)放均畫出，分別為LM2904YPTA和LM2904YPTB。LM2904YPTB的工作原理與LM2904YPTA的工作原理一樣，故流過Q2的電流I(Q2)也約為66.8 mA。因此兩路電路n_11和n_12的電流均為66.8 mA。由于這兩路電路外部是接在LED燈上的，故流過LED燈的電流為恒定值66.8 mA。

根據(jù)該恒流源電路工作原理以及設(shè)定的車身電池電壓KL30A，設(shè)計LED連接方式如圖7所示。即LED1與LED2串聯(lián)，流過電流約為66.8 mA，LED3和LED4串聯(lián)，流過的電流也約為66.8 mA。故此電路一般情況下可以點(diǎn)亮4個LED燈(其中KL30A為車身電池電壓12.8 V) 。

3 部分參數(shù)仿真測試

圖8 恒流源部分參數(shù)仿真結(jié)果

為了對該恒流源電路進(jìn)行原理驗證，需對部分參數(shù)進(jìn)行仿真測試，仿真結(jié)果如圖8所示。其中圖8(a)為5 V的輸入脈沖信號Vclock；圖8(b)為LM2904YPTA運(yùn)放正極輸入電壓V(n_2)，圖8(c)為電阻R3端電壓V(n_4)，由仿真結(jié)果可得R3端電壓與運(yùn)放LM2904YPTA輸入端電壓相等，約為0.454 5 V；圖8(d)為流過R3的電流I(R3)，約為66.8 mA。從圖8可知，仿真結(jié)果與設(shè)計的恒流源工作原理圖中的參數(shù)保持一致，因此該恒流源電路具有一定的可行性。

4 結(jié)論

本文主要闡述了一種用于汽車儀表背光燈的雙路通用運(yùn)算放大器LM2904與三極管組成的恒流源電路的設(shè)計方案。通過對恒流源電路部分參數(shù)進(jìn)行仿真測試可以看出，流過LED背光燈的電流是恒定的，且其值可根據(jù)外接電阻的大小設(shè)定，因此該電流值的精度較高。另外該恒流源電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，成本低，所以具有一定的可行性。從而該方案適用于解決汽車儀表背光燈在高壓脈沖下亮度變化的問題。

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Design of constant current source circuit for backlight of automobile instrument

Li Jing，Cai Xiangbao，Tao Zhikuo

(School of Electronic Science and Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

The power circuit for the LED backlight of the automobile instrument can cause the instable current under the high-voltage pulse, which leads to the change of the brightness of the backlight. In order to solve the problem, based on low power consumption dual operational amplifier LM2904, a design of the constant current source for the backlight of automobile instrument is proposed. And the parameters of the constant current source circuit are simulated and tested. The results show that the scheme has the advantages of high precision, high stability, low cost with a certain reference value.

automobile instrument; LED backlight; LM2904; constant current source circuit

國家自然科學(xué)基金(61574079)

TN495

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.24.009

李靜,蔡祥寶，陶志闊. 汽車儀表背光燈的恒流源電路設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(24)：30-33.

2016-06-27)

李靜(1990-)，通信作者，女，碩士研究生 ，主要研究方向為：物理電子學(xué)。 E-mail:lijing10_lijing@163.com。

蔡祥寶(1957-)，男，碩士，教授，主要研究方向為：光通信與光信息處理。

陶志闊(1981-)，男，博士，副教授，主要研究方向為：半導(dǎo)體材料與器件研究。