汽车仪表 LED 背光灯的电源电路在高压脉冲下会使电流不稳定,从而导致背光灯亮度有所变化。为了解决该问题,基于低功耗双运算放大器 LM2904,设计了一种汽车仪表背光灯恒流源电路,并且对该恒流源电路部分参数进行了仿真测试。结果表明该方案精度高、稳定性强、成本低,具有一定的应用参考价值。
 
0 引言
随着科技的飞速发展,LED 作为一种新型的节能、安全、环保光源,具有体积小、耗电低、亮度高、 寿命长等传统光源不及的特点,广泛应用在汽车仪表的背光灯中[12]。由 LED 伏安特性曲线可知,LED 光源的发光强度主要取决于流过它的电流,轻微的电流变化便会导致 LED 亮度的变化,因此其对电源的稳定性要求极高[34]。
 
为了研究车载发电机电源在高压脉冲下对汽车仪表 LED 背光灯亮度变化的影响,本文在 ISO 7637-2 :2004 《道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰》测试标准下,通过对汽车仪表 LED 背光灯车载系统环境的现实模拟,重现了车载发电机在高压脉冲下导致汽车仪表 LED 背光灯亮度变化的场景[5]。为了改善这种不稳定的情况,本文提出了一种基于低功耗双运算放大器 LM2904 和三极管设计的恒流源电路,并通过电路仿真对相关参数进行测试。测试结果验证了该方案具有精度高、稳定性强、成本较低等优点,因此具有一定的可行性[6]。
 
1ISO 7637 标准实验及结果分析
ISO 76372 :2004 《道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰》标准定义了车载电气设备上的电源电压为 12 V 和 24 V 时电源线上的电瞬变传导骚扰的发射和抗扰度性能测试标准。同时该标准根据车载电子设备的实际应用物理环境,规定了相应的测试波形,从而可以再现实际车载电器系统电源环境的极端状态,系统的抗电源传导瞬变骚扰能力提供了相应的评价标准,具有很强的实践指导意义[7]。因此,首先根据该国际测试标准模拟车载电源对汽车仪表 LED 背光灯的影响。
 
DUT(被测装置)瞬态抗扰度的实验采用试验脉冲发生器的方法,典型测试脉冲 5 用来模拟交流发电机给蓄电池充电过程中,蓄电池突然断开时对回路中其他电子设备产生的突升脉冲,这一卸载脉冲的幅值和强度主要取决于断开时交流发电机的速度和励磁电流。脉冲 5 有脉冲 5a 和脉冲 5b 两种,其中脉冲 5b 是经限幅二极管箝位的脉冲。脉冲 5 不仅考核了电源对电子设备的抗干扰能力,而且考核了对设备元器件的破坏性。脉冲 5a 波形如图 1 所示,其对应波形参数如表 1 所示。脉冲 5b 的波形如图 2 所示,其对应波形参数如表 2 所示[7]。
 
 
  
 
根据 ISO 76372:2004 国际标准要求,对汽车仪表 LED 背光灯开展脉冲 5b 实验。LED 背光灯与车身电池 KL30 连接,当车身电池 KL30 的电压发生变化时,流过 LED 背光灯的电流也会相应发生变化。所以当车身电压表 1 测试脉冲 5a 参数 12 V 系统 24 V 系统 Us/V65~87123~174Ri/Ω0.5~41~8td/ms40~400100~350tt/ms10(0,-5)
 
 
  
 
抑制管最高输出电压在 36.8 V 左右时,持续时间 TD 在 40~400 ms 之间,所产生的试验脉冲如图 3 所示,流过 LED 背光灯的电流变大,从而导致汽车仪表 LED 背光灯变亮。为了改善此种情况,需要对流过 LED 灯的电流加以限制,因此必须提高车载电源的稳定性[8]。
 
 
 
目前针对汽车仪表背光灯变亮问题已存在一些整改方案。比如,电源端增加瞬态抑制二极管 TVS。TVS 是普遍使用的一种新型高效电路保护器件,它具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时,TVS 能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗,以吸收一个瞬间大电流,从而把它的两端电压箝制在一个预定的数值上,进而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。若对仪表进行 24 V 过压实验,当仪表有高压脉冲信号时,该 TVS 二极管只能将脉冲信号钳位到 24 V,仪表背光灯若挂在 36.8 V 上仍会变亮,所以此方案只能起到一定的抑制作用。
 
对此,本文设计了一种恒流源电路对上述现象进行改进,其核心部件采用低功耗双运算放大器 LM2904 和三极管组成。LM2904 是一个双路通用运算放大器,可以采用两路恒流源处理,供给仪表不同器件的背光灯使用,根据汽车仪表背光灯的电流来选取不同阻值的电阻, 从而限制该路总电流,起到恒流作用[9 10]。

 

2LED 背光恒流源电路设计
2.1 恒流源系统设计框图
本文设计的汽车仪表 LED 背光恒流源电路系统的组成框图如图 4 所示。它主要由输入时钟脉冲信号 Vclock、低功耗双运算放大器 LM2904、三极管 Q、LED 背光灯、车身电池 KL30、电阻 R 等组成。首先给核心部件运放 LM2904 正向输入极提供幅度为 5 V 的脉冲信号 Vclock,经电阻分压后可得运放正极电压,由于运放在理想状态下,根据“虚短”和“虚断”可得运放负极电压以及与负极相连的三极管发射极的电压。又由于该三极管发射极电压是固定的,从而根据与发射极相连的电阻来确定经三极管导通的电流是恒定的,该电流的大小由外接电阻的大小决定,因此该路提供恒定电流驱动 LED 负载,从而改善 LED 背光灯因车身电压变化而突变的现象[78]。
 
 
2.2LM2904 运放的选取
运算放大器 LM2904 作为恒流源电路的核心部分,其内部包括两个独立的低功耗双运算放大器 LM2904YPTA 和 LM2904YPTB,为 8 脚双列扁平式塑料封装。具有内部带有频率补偿、直流电压增益高、单位增益频带宽、功耗电流低等特点,适用于电源电压范围较宽的单电源或双电源。目前该运放在汽车及工业控制系统中得到了广泛的应用,其引脚图如图 5 所示。
 
 
 
2.3 恒流源电路设计
本文设计的恒流源电路,其输出电流是恒定的。电路中的运算放大器采用了带负反馈的理想运放 LM2904;发光二极管 diode 的导通压降为 6 V(此处模拟了 LCD 屏内部背光灯的压降);电阻的精度为 0.1% ,阻值是:R1、R4、R6 为 10 kΩ,R2、R7、R8 为 1 kΩ,R3、R5 为 6.8 Ω;选取车身电压 KL30A 为 12.8 V(KL30A 是 KL30 通过一个保护二极管得到的电压)。恒流源的电路原理图如图 6 所示。
 
 
在该图中,BL_PWM 为单片机 MCU 的输出信号,信号波形为固定占空比的脉冲信号,信号幅值 Vclock 为 5 V。当 BL_PWM 为高电压 5 V 时,R2 与 R1 进行分压,运放 LM2904YPTA 的正极电压为:
 
 
式中:V(n_2)为运算放大器 LM2904YPTA 正极电压;Vclock 为输入脉冲信号;R1、R2 为分压电阻。由于运放在理想状态下,根据“虚断”可知,运放正极 I+和负极 I-电流约为零,故 R4 上无电流流过,从而 R4 上无压降。所以电阻 R3 端的电压 V(n_4)等于运放反向输入端的电压 V(n_3),即:
 
I+=I-≈0→V(R4)=0→V(n_4)=V(n_3)(2)
 
式中:I+、I-分别为运放的正负极电流;V(R4)为电阻 R4 两端电压;V(n_4)为电阻 R3 端电压;V(n_3)为运放负极电压。再根据“虚短”可知:运放正极电压 V(n_2)等于运放负极电压 V(n_3),从而电阻 R3 端的电压 V(n_4)等于运放正极电压 V(n_2),即:
 
V+=V-→V(n_2)=V(n_3)=V(n_4)≈0.45 V(3)
 
由于 R3 阻值为 6.8 Ω,故流过 R3 的电流 I(R3)为:
 
 
式中:I(R3)为流过电阻 R3 的电流。又由于三极管 Q1 发射极的电压是固定的,故此时通过三极管 Q1 电流 I(Q1)为恒定值,约为 66.8 mA。同时三极管 Q1 是一个基极电流控制的电路,故电阻 R7 上存在一定的电流,V(n_7)与 V(n_8)之间存在一定的压差。因此:
 
当 Q1 导通时:
 
V(n_11)=V(KL30A)-V(diode)=12.8 V-6 V=6.8 V(5)
 
式中:V(n_11)为三极管集电极电压;V(KL30A)为车身电压;V(diode)为二极管导通压降。
 
当 Q1 截断时:
 
V(n_11)=V(KL30A)=12.8 V(6)
 
由于 LM2904YPTA 和 LM2904YPTB 是同一款芯片 LM2904,此芯片内有 8 个 pin 脚且内部集成了两个运放。为了便于理解,在图 6 中将两个运放均画出,分别为 LM2904YPTA 和 LM2904YPTB。LM2904YPTB 的工作原理与 LM2904YPTA 的工作原理一样,故流过 Q2 的电流 I(Q2)也约为 66.8 mA。图 7LED 连接电路图因此两路电路 n_11 和 n_12 的电流均为 66.8 mA。由于这两路电路外部是接在 LED 灯上的,故流过 LED 灯的电流为恒定值 66.8 mA。
 
 
根据该恒流源电路工作原理以及设定的车身电池电压 KL30A,设计 LED 连接方式如图 7 所示。即 LED1 与 LED2 串联,流过电流约为 66.8 mA,LED3 和 LED4 串联,流过的电流也约为 66.8 mA。故此电路一般情况下可以点亮 4 个 LED 灯(其中 KL30A 为车身电池电压 12.8 V) 。
 

 

3 部分参数仿真测试
图 8 恒流源部分参数仿真结果为了对该恒流源电路进行原理验证,需对部分参数进行仿真测试,仿真结果如图 8 所示。其中图 8(a)为 5 V 的输入脉冲信号 Vclock;图 8(b)为 LM2904YPTA 运放正极输入电压 V(n_2),图 8(c)为电阻 R3 端电压 V(n_4),由仿真结果可得 R3 端电压与运放 LM2904YPTA 输入端电压相等,约为 0.454 5 V;图 8(d)为流过 R3 的电流 I(R3),约为 66.8 mA。从图 8 可知,仿真结果与设计的恒流源工作原理图中的参数保持一致,因此该恒流源电路具有一定的可行性。
 
 
 
4 结论
本文主要阐述了一种用于汽车仪表背光灯的双路通用运算放大器 LM2904 与三极管组成的恒流源电路的设计方案。通过对恒流源电路部分参数进行仿真测试可以看出,流过 LED 背光灯的电流是恒定的,且其值可根据外接电阻的大小设定,因此该电流值的精度较高。另外该恒流源电路结构简单,易于实现,成本低,所以具有一定的可行性。从而该方案适用于解决汽车仪表背光灯在高压脉冲下亮度变化的问题。