【導(dǎo)讀】產(chǎn)量的10％左右。LED作為一種新型的固態(tài)光源，正在逐漸被應(yīng)用在汽車的照明系統(tǒng)中。LED是繼白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈之后的第四代光源。LED具有結(jié)構(gòu)簡單、無延遲、節(jié)能效果顯著、重量輕、安全性能好、抗震、無污染、免維護(hù)和壽命長等特征。LED已成為鎢絲燈、鹵素?zé)舻谋厝蝗〈a(chǎn)品，將成為汽車的第四代照明光源。明LED技術(shù)尚未成熟前，車用市場是最被看好的LED市場。汽車照明系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了分析，并設(shè)計了一個LED驅(qū)動電路。delayenergy-saving，lightweight，safety，earthquake，pollution-free，maintenance-freeand. Keywords:LED，automobilelighting，brakelight，LEDdriver，Protel99

　　

【正文】 的驅(qū)動電路設(shè)計 驅(qū)動芯片 ULN2021 簡介 ULN2021 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個硅 NPN 達(dá)林頓管組成。 該電路的特點(diǎn)如下： ULN2021 的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個 的基極電阻 ， 在 5V 的工作電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 ULN2021 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá) 500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V 的電壓 ，滿足電路輸入為 34V電壓的要求 ，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。 ULN2021 采用 DIP16 或 SOP16 塑料封裝。 表 52 極限值 （ 若無其它規(guī)定， Tamb=25℃ ） 參數(shù)名稱 符號 數(shù)值 單位 輸入電壓 VIN 30 V 30 V 輸入電流 IIN 25 mA 功耗 PD 1 W 工作環(huán)境溫度 Topr 20 to +85 ℃ 貯存溫度 Tstg 55 to+150 ℃ LED 在汽車照明領(lǐng)域的應(yīng)用與電路設(shè)計 22 表 53 電特性（若無其它規(guī)定 ， Tamb=25℃ ） 參數(shù)名稱 符號 測試條件 最小 典型 最大 單位 輸出漏電流 ICEX VCE=50V，Tamb=25℃ 50 μA VCE=50V，Tamb=70℃ 100 μA 飽和壓降 VCE（ SAT） IC=100mA，IS=250μA V IC=200mA，IS=350μA V IC=350mA，IS=500μA V 輸入電流 IIN（ ON） VIN= mA IIN（ OFF） IC=500μA，Tamb=70℃ 50 65 μA 輸入電壓 VIN（ ON） VCE=，IC=200mA V VCE=，IC=250mA V VCE=，IC=300mA V 輸入電容 CIN 15 25 pF 上升時間 tPLH Ein to Eout μS 下降時間 tPHL tPHL Ein to Eout μS 鉗位二極管漏電流 IR VR=50V，Tamb=25℃ 50 μA VR=50V，Tamb=70℃ 100 μA 鉗位二極管正向壓降 VF IF=350mA V 驅(qū)動電路設(shè)計 電路由 ULM2021 組成， ULM2021 接三路各 20 只 LED 燈，有單片機(jī)控制其導(dǎo)通，關(guān)斷和亮度的變化。 發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓為 ，一路 20 個 LED 發(fā)光二極管就需要34V 電壓來驅(qū)動， 輸入的 驅(qū)動電壓 34V 由 升壓電路 來 獲得 。發(fā)光二極管在與升壓電路34V 電源相連 需 要 接限流電阻來保護(hù)電路。 20 只 LED 是串聯(lián)形式來進(jìn)行連接的，并聯(lián)成三路。下圖是驅(qū)動電路這塊的原理圖設(shè)計。 LED 在汽車照明領(lǐng)域的應(yīng)用與電路設(shè)計 23 圖 53 驅(qū)動電路設(shè)計 Protel 軟件的應(yīng)用 這次設(shè)計中需要將設(shè)計的電路圖通過 Protel 軟件來進(jìn)行原 理圖和 PCB 版圖的繪制。也讓我在這次畢業(yè)設(shè)計中對 Protel 軟件進(jìn)行的學(xué)習(xí)和利用。 Protel 是一款專門針對電路原理圖與 PCB 版圖繪制的軟件，其中的電氣規(guī)則檢查，自動布線和元器件列表的生成都簡化繪圖的過程。此次設(shè)計中原理圖和 PCB 版圖的繪制大致以下幾個部分來完成 （ 1） 電路版設(shè)計的先期工作 先 利用 Protel 軟件的 原理圖設(shè)計工具 來 繪制 以設(shè)計好的 原理圖，并且生成 與之 對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)表。 軟件會自帶一些常用的元器件，比如電阻，電容等，一些芯片往往因?yàn)橛性S多不同的封裝，所以元器件庫中不會自帶，需要你自己建立元器件庫，畫置 自己需要的芯片等，然后再到原理圖繪制版面進(jìn)行調(diào)用。 原理繪制完畢后需要對電氣規(guī)則進(jìn)行檢查， 手工更改網(wǎng)絡(luò)表 將一些元件的固定用腳等原理圖上沒有的焊盤定義到與它相通的網(wǎng)絡(luò)上，沒任何物理連接的可定義到地或保護(hù)地等。將一些原理圖和 PCB 封裝庫中引腳名稱不一致的器件引腳名稱改成和 PCB 封裝庫中的一致 。 （ 2） 畫出自己定義的非標(biāo)準(zhǔn)器件的封裝庫 Protel 軟件是自帶一些與原理圖庫中存在的元器件相同的封裝的，對于沒有的元器件封裝需要自己建立封裝庫，在封裝庫中畫出非標(biāo)準(zhǔn)元器件封裝，可以利用測量工具來測量封裝的尺寸，也可對封 裝的焊盤大小進(jìn)行更改來對應(yīng)電路圖中選取的元器件大小、類別。 （ 3） 設(shè)置 PCB 設(shè)計環(huán)境 進(jìn)入 PCB 系統(tǒng)后的第一步就是設(shè)置 PCB 設(shè)計環(huán)境，包括設(shè)置格點(diǎn)大小和類型，光標(biāo)類型，版層參數(shù)，布線參數(shù)等等。大多數(shù)參數(shù)都可以用系 統(tǒng)默認(rèn)值 。 （ 4） 打開所有要用到的 PCB 庫文件后，調(diào)入網(wǎng)絡(luò)表文件和修改零件封裝 這一步是非常重要的一個環(huán)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)表是 PCB 自動布線的靈魂，也是原理圖設(shè)計與印象電路版設(shè)計的接口，只有將網(wǎng)絡(luò)表裝入后，才能進(jìn)行電路版的布線。 LED 在汽車照明領(lǐng)域的應(yīng)用與電路設(shè)計 24 在原理圖設(shè)計的過程中， ERC 檢查不會涉及到零件的封裝問題。因此，原理圖設(shè)計時，零件的封裝可能被遺忘，在引進(jìn)網(wǎng)絡(luò)表時可以根據(jù)設(shè)計情況來修改或補(bǔ)充零件的封裝。 在引入網(wǎng)絡(luò)表是，系統(tǒng)會提示存在的錯誤，可以根據(jù)提示的錯誤信息來修改原先畫的原理圖，或者修改元器件封裝，直至再次調(diào)用網(wǎng)絡(luò)表后，系統(tǒng)提示無錯誤存在，就可以執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)便的調(diào)用了。 （ 5） 布置零件封裝的位置，也稱零件布局 Protel99 可以進(jìn)行自動布局 ， 也可以進(jìn)行手動布局。如果進(jìn)行自動布局，運(yùn)行 Tool下面的 Auto Place 這個命令 。布線的關(guān)鍵是布局，也可 采用手動布局的形式。用鼠標(biāo)選中一個元件，按住鼠標(biāo)左鍵不放，拖住這個元件到達(dá)目 的地，放開左鍵，將該元件固定。當(dāng)簡易的布局完成后，使用自動對齊方式整齊地展開或縮緊一組封裝相似的元件。 此次設(shè)計中采用的是手工布線。 （ 6） 根據(jù)情況再作適當(dāng)調(diào)整然后將全部器件鎖定 （ 7） 布線 布線就是在元器件引腳之間放置覆銅連線的過程，這一過程可通過手工完成，也可以自動進(jìn)行。在進(jìn)行布線之前，布線前必須先設(shè)置好布線參數(shù)，定義布線規(guī)則。 元器件之間的連線可以采用 10mil 或者 20mil，電源線需采用 20mil 或者 30mil 大于元器件之間的連線。 （ 8） 最后檢查 啟動設(shè)計規(guī)則檢查 DRC，這一步利用 PCB 提供的 DRC 功能對完成布線的 PCB 板進(jìn)行檢查。檢查結(jié)果輸出在報告文件 *.rep 中， PCB 軟件將出錯處在 PCB 圖上顯示出來，對于顯示出來的錯誤進(jìn)行檢查、修改，直至所有檢查顯示沒有錯誤，此次電路圖的繪制以及電路圖的 PCB 圖繪制就結(jié)束了。 總 體設(shè)計 總體電路中 選用 單片機(jī)控制電路時選用 89C51 系列單片機(jī) 16 引腳封裝。由引腳 7 的高低電平輸入 來控制輸出 、 、 口 。ED 發(fā)光二極管的點(diǎn)亮 狀態(tài)。 89C51 單片機(jī)具有一個高速時鐘 /機(jī)器周期，可用低頻晶振，大幅降低 EMI。外部晶體或內(nèi)部 RC 震蕩器可選， 8 字節(jié)片內(nèi) Flash 程序存儲器， 512 字節(jié)片內(nèi) RAM 數(shù)據(jù)存儲器，芯片內(nèi) EEPROM 功能 。 如將此電路應(yīng)用到汽車上還需另加一個電源電路，汽車上是 12V直流電源，而 89C51單片機(jī)的驅(qū)動電壓 在 ~ 左右， 所以不能直接將汽車上的電源接在單片機(jī)上。故需利用 CW0805 來輸出 5V 穩(wěn)定電源。 圖 54 即使利用在 汽車上時需要增加的恒流源電源的電路圖設(shè)計。 LED 在汽車照明領(lǐng)域的應(yīng)用與電路設(shè)計 25 54 CW7805 構(gòu)成的恒流源電源 因?yàn)榇舜蔚漠厴I(yè)設(shè)計是在電路電子實(shí)驗(yàn)箱上來進(jìn)行構(gòu)建和調(diào)試的，而電路電子實(shí)驗(yàn)箱上的電源即使直流 5V 左右的 電源，可以直接接入單片機(jī)而無需電源變換，所以沒有構(gòu)建這一塊的電路，電路設(shè)計路下圖所示。 圖 55 總體電路設(shè)計 原理圖 LED 在汽車照明領(lǐng)域的應(yīng)用與電路設(shè)計 26 圖 56 總體電路搭建 圖 57 PCB 圖設(shè)計（頂層圖） LED 在汽車照明領(lǐng)域的應(yīng)用與電路設(shè)計 27 圖 57 PCB 圖設(shè)計（底層圖） LED 在汽車照明領(lǐng)域的應(yīng)用與電路設(shè)計 28 6 全文總結(jié) 隨著交通密度的加大和信息流量的提高 ， 行車安全已成為人民要解決的當(dāng)務(wù)之急。其不僅與駕駛員對行駛道路了解情況等主觀因素有關(guān) ， 還與汽車安全性能等客觀因素有密切聯(lián)系。汽車照明系統(tǒng)是汽車三大安全件之一 ， 是最主要的主動式安全裝置。如汽車前照燈 ， 它是保障汽車安全運(yùn)行的重要部 件 ， 前照燈的燈照距離越遠(yuǎn) ， 配光性能越好 ，汽車行駛的安全性能就越高。駕駛視野的清晰度以及信號燈提供的該車的行駛狀況對行車安全是有直接影響的 ， 還有剎車燈的反應(yīng)時間越快就可以是駕駛員反應(yīng)時間增加從而避免事故的發(fā)生。 因此 ， 改善汽車照明系統(tǒng) ， 是提高行車安全的重要保障。 LED汽車照明燈具即具備了節(jié)能、發(fā)光效率高、健康化、使用壽命長、相應(yīng)速度快燈諸多優(yōu)點(diǎn)， 將成為汽車照明不可或缺的光源。 汽車 LED照明同樣也存在著一些不足，需要不斷的去改進(jìn)。目前世界上無論國內(nèi)國外均以傳統(tǒng)白熾燈 ， 鹵素?zé)舻?規(guī)格 要求 作為 汽車燈的光學(xué)、電學(xué)和形 狀的標(biāo)準(zhǔn) ， 并沒有獨(dú)立的 LED車燈的生產(chǎn)檢驗(yàn) 的 標(biāo)準(zhǔn)。由于 LED光源有其自身的特點(diǎn) ， 因此 LED汽車燈具的設(shè)計與制造不能簡單套用常規(guī)的方法 ， 必須對其設(shè)計和制造方法做修改 ， 同時要制定出與 LED汽車燈具相適應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。 另外 ， 用于 LED車燈的 LED元件為滿足傳統(tǒng)配光標(biāo)準(zhǔn)的要求 ， 角度的選用十分重要 ，正確的發(fā)光角度意味著可以使用正確數(shù)量的 LED元件以達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。由于 LED側(cè)向散光少 ， 故 LED光源陣列的分布要分散 ， 與傳統(tǒng)燈泡恰恰相反 ， 分散的目的也更能符合視覺習(xí)慣。散熱設(shè)計是 LED燈具設(shè)計工作中至關(guān)重要的部份 ， 散 熱是否良好決定了燈具的使用壽命是否能達(dá)到設(shè)定值。 在 LED照明電路設(shè)計中，驅(qū)動電路的設(shè)計也是一項十分重要的工作。在這次的剎車燈的設(shè)計中使用 單 芯片來驅(qū)動電路的， 但存在著驅(qū)動二極管數(shù)量有限，如對于功率要求大的電路，單芯片驅(qū)動將會存在問題。 還有即一般 LED均采用恒流驅(qū)動，而且往往用一個驅(qū)動串接好幾個 LED，由于是恒流，其電壓是個變數(shù)，其問題就出在這里， LED將過熱造成電壓加大，因電流仍恒流，故 LED功率也加大，使發(fā)熱進(jìn)一步加劇，電壓繼續(xù)上升又導(dǎo)致功率上升和熱量上升，最終可能 LED短路或斷開。但在此過程中產(chǎn)生的熱量 可能已對周圍造成致命的影響。所以 LED驅(qū)動問題將是 LED應(yīng)用于車用照明中大功率燈的主要問題 [8]。 當(dāng)驅(qū)動 LED時，在電源系統(tǒng)設(shè)計方面有許多種選擇，這取決于所需的 LED數(shù)量與型號、照明要求、以及所需的系統(tǒng)特性。由于可用的方式包括升壓、降壓、或兩者皆可，LED燈串可以偏離汽車電源的范圍運(yùn)行而不須受限于 1214 V，若設(shè)計人員選擇在 1214 V范圍內(nèi)運(yùn)作，則可以使用降壓穩(wěn)壓器 。若偏好完全串聯(lián)的方式，而不采用串聯(lián) /并聯(lián)設(shè)計，便可采用升壓與降壓穩(wěn)壓器組合，也可以僅用升壓穩(wěn)壓器。此外，假若 LED需要在特殊 情況下運(yùn) 作且受保護(hù)，也 可依 據(jù)輸入電壓與所需之輸出電壓來決定降壓或升壓。最LED 在汽車照明領(lǐng)域的應(yīng)用與電路設(shè)計 29 后，除了上述幾種 方式外，也有許多 IC解決方案可以使用，例如美國國家半導(dǎo)體的LM3406與 LM3421，便可有效地成為 LED照明的穩(wěn)定電流穩(wěn)壓器。 現(xiàn)在 LED的發(fā)展非常快 ， 光效在不斷地提高 ， 在這個前提下 ， 汽車用 LED燈將會越來越普遍 ， 其低能耗、小型化、無需維護(hù)和設(shè)計上自由度較大等優(yōu)點(diǎn)是讓人很期待的。LED必將成為車用照明中占有不可取代的地位 。 LED 在汽車照明領(lǐng)域的應(yīng)用與電路設(shè)計 30 參考文獻(xiàn) [1] 梁森 ， 王侃夫 ， 黃杭美 .自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù) [M].北京 ：機(jī)械工業(yè)出版社 ， 2021. 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