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） 

        摘要：汽車(chē)儀表LED背光燈的電源電路在高壓脈沖下會(huì)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(wèn)題，基于低功耗雙運(yùn)算放大器LM2904，設(shè)計(jì)了一種汽車(chē)儀表背光燈恒流源電路，并且對(duì)該恒流源電路部分參數(shù)進(jìn)行了仿真測(cè)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(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：汽車(chē)儀表；LED背光燈；LM2904; 恒流源電路

　　中圖分類(lèi)號(hào)：TN495文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2016.24.009

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

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(zhǎng)等傳統(tǒng)光源不及的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在汽車(chē)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(guò)它的電流，輕微的電流變化便會(huì)導(dǎo)致LED亮度的變化，因此其對(duì)電源的穩(wěn)定性要求極高［34］。

　　為了研究車(chē)載發(fā)電機(jī)電源在高壓脈沖下對(duì)汽車(chē)儀表LED背光燈亮度變化的影響，本文在ISO 7637-2 :2004 《道路車(chē)輛由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾》測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下，通過(guò)對(duì)汽車(chē)儀表LED背光燈車(chē)載系統(tǒng)環(huán)境的現(xiàn)實(shí)模擬，重現(xiàn)了車(chē)載發(fā)電機(jī)在高壓脈沖下導(dǎo)致汽車(chē)儀表LED背光燈亮度變化的場(chǎng)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(jì)的恒流源電路，并通過(guò)電路仿真對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)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］。

1ISO 7637標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

　　ISO 76372 :2004 《道路車(chē)輛由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾》標(biāo)準(zhǔn)定義了車(chē)載電氣設(shè)備上的電源電壓為12 V和24 V時(shí)電源線上的電瞬變傳導(dǎo)騷擾的發(fā)射和抗擾度性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)車(chē)載電子設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用物理環(huán)境，規(guī)定了相應(yīng)的測(cè)試波形，從而可以再現(xiàn)實(shí)際車(chē)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，具有很強(qiáng)的實(shí)踐指導(dǎo)意義［7］。因此，首先根據(jù)該國(guó)際測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)模擬車(chē)載電源對(duì)汽車(chē)儀表LED背光燈的影響。

　　DUT（被測(cè)裝置）瞬態(tài)抗擾度的實(shí)驗(yàn)采用試驗(yàn)脈沖發(fā)生器的方法，典型測(cè)試脈沖5用來(lái)模擬交流發(fā)電機(jī)給蓄電池充電過(guò)程中，蓄電池突然斷開(kāi)時(shí)對(duì)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(kāi)時(shí)交流發(fā)電機(jī)的速度和勵(lì)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(duì)電子設(shè)備的抗干擾能力，而且考核了對(duì)設(shè)備元器件的破壞性。脈沖5a波形如圖1所示，其對(duì)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(duì)應(yīng)波形參數(shù)如表2所示［7］。

　　根據(jù)ISO 76372:2004國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)汽車(chē)儀表LED背光燈開(kāi)展脈沖5b實(shí)驗(yàn)。LED背光燈與車(chē)身電池KL30連接，當(dāng)車(chē)身電池KL30的電壓發(fā)生變化時(shí)，流過(guò)LED背光燈的電流也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。所以當(dāng)車(chē)身電壓表1測(cè)試脈沖5a參數(shù)12 V系統(tǒng)24 V系統(tǒng)Us/V65~87123~174Ri/Ω0.5~41~8td/ms40~400100~350tt/ms10(0,-5)

　　抑制管最高輸出電壓在36.8 V左右時(shí)，持續(xù)時(shí)間TD在40~400 ms之間，所產(chǎn)生的試驗(yàn)脈沖如圖3所示，流過(guò)LED背光燈的電流變大，從而導(dǎo)致汽車(chē)儀表 LED背光燈變亮。為了改善此種情況，需要對(duì)流過(guò)LED燈的電流加以限制，因此必須提高車(chē)載電源的穩(wěn)定性［8］。

　　目前針對(duì)汽車(chē)儀表背光燈變亮問(wèn)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(shí)間（亞納秒級(jí)）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(shí)，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€(gè)瞬間大電流，從而把它的兩端電壓箝制在一個(gè)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(duì)儀表進(jìn)行24 V過(guò)壓實(shí)驗(yàn)，當(dāng)儀表有高壓脈沖信號(hào)時(shí)，該TVS二極管只能將脈沖信號(hào)鉗位到24 V，儀表背光燈若掛在36.8 V上仍會(huì)變亮，所以此方案只能起到一定的抑制作用。

　　對(duì)此，本文設(shè)計(jì)了一種恒流源電路對(duì)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(gè)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(chē)儀表背光燈的電流來(lái)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］。

2LED背光恒流源電路設(shè)計(jì)

　　2.1恒流源系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

　　本文設(shè)計(jì)的汽車(chē)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(shí)鐘脈沖信號(hào)Vclock、低功耗雙運(yùn)算放大器LM2904、三極管Q、LED背光燈、車(chē)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(hào)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(lái)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(dòng)LED負(fù)載，從而改善LED背光燈因車(chē)身電壓變化而突變的現(xiàn)象［78］。

　　2.2LM2904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(gè)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(chē)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。

　　2.3恒流源電路設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)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(chē)身電壓KL30A為12.8 V（KL30A是KL30通過(guò)一個(gè)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。

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

　　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(hào)；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(wú)電流流過(guò)，從而R4上無(wú)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(guò)R3的電流I(R3)為：

　　式中：I(R3)為流過(guò)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(shí)通過(guò)三極管Q1電流I(Q1)為恒定值，約為66.8 mA。同時(shí)三極管Q1是一個(gè)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(shí)：

　　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(chē)身電壓；V(diode)為二極管導(dǎo)通壓降。

　　當(dāng)Q1截?cái)鄷r(shí)：

　　V(n_11)=V(KL30A)=12.8 V(6)

　　由于LM2904YPTA和LM2904YPTB是同一款芯片LM2904，此芯片內(nèi)有8個(gè)pin腳且內(nèi)部集成了兩個(gè)運(yùn)放。為了便于理解，在圖6中將兩個(gè)運(yùn)放均畫(huà)出，分別為L(zhǎng)M2904YPTA和LM2904YPTB。LM2904YPTB的工作原理與LM2904YPTA的工作原理一樣，故流過(guò)Q2的電流I(Q2)也約為66.8 mA。圖7LED連接電路圖因此兩路電路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(guò)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(chē)身電池電壓KL30A，設(shè)計(jì)LED連接方式如圖7所示。即LED1與LED2串聯(lián)，流過(guò)電流約為66.8 mA，LED3和LED4串聯(lián)，流過(guò)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(gè)LED燈（其中KL30A為車(chē)身電池電壓12.8 V） 。

3部分參數(shù)仿真測(cè)試

　　圖8恒流源部分參數(shù)仿真結(jié)果為了對(duì)該恒流源電路進(jìn)行原理驗(yàn)證，需對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行仿真測(cè)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(hào)Vclock；圖8(b)為L(zhǎng)M2904YPTA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(guò)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(jì)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(chē)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(jì)方案。通過(guò)對(duì)恒流源電路部分參數(shù)進(jìn)行仿真測(cè)試可以看出，流過(guò)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(jiǎn)單，易于實(shí)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(chē)儀表背光燈在高壓脈沖下亮度變化的問(wèn)題。

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