在当今的中高档汽车中，现代照明理念演绎得越来越淋漓尽致。不管是外部照明还是内部照明，都尽显时尚和个性化，在汽车的不同部分使用了情绪设置模式来控制“个人空间”的光线颜色和亮度，如驾驶员脚下空间或控制台的背光等。这类汽车照明采用新型光源，在丰富消费者体验的同时，也满足了环保和节能的要求。
LED在汽车照明应用中主要被用来做外部与内部照明，外部照明设备涉及热极限与EMC问题，同时还有卸载负载测试的许多复杂标准。例如，电压是40V、60V、80V，还是100V的LED的驱动电路必须符合汽车EMC规格的严格要求。对于通过高效、电感开关式变换器驱动的LED，符合上述要求有一定的难度，所有预防措施将增加总体方案的成本。
由于LED所具备的优点，可广泛使用LED来营造车内舒适环境，比如仪表类照明灯、踏板照明灯、航图灯、后雾灯、汽车后刹车与指示灯，而用于显示汽车“娱乐信息”的平板显示屏的混色背光照明及气氛照明将进一步增加LED的应用。
1.汽车LED驱动器设计的挑战
采用汽车蓄电池驱动LED需要DC/DC变换器来准确调节LED电流，以确保一致的光强和颜色一致性并保护LED。此外，依据LED用途的不同，如前灯、后灯、转向信号指示灯、内部气氛灯或阅读灯，DC/DC变换器还应该根据具体的电源要求进行优化。还有一个比较大的挑战，是用可能低于、等于或高于负载电压的蓄电池电压为一个或几个LED串供电。另一个关注的问题是以大的调光比对LED进行高效率调光，同时无论亮度高低都保持LED的颜色特性不变。DC/DC驱动器高效率工作是一个关键要求，尤其是在驱动HB-LED时更是这样，因为未转换成光的功率都以热量形式浪费。
在LED驱动器设计中，必须增加阻塞电路，为防止电源反向工作提供保护。汽车LED驱动器设计中遇到的另外一个挑战是要在汽车冷启动或负载断电的情况下确保LED能够正常工作。在正常工作的情况下，小轿车的蓄电池供电电压介于9～16V之间（例如12V系统总线），而大货车的蓄电池供电电压则介于18～32V之间（例如24V系统总线）。在出现负载断电或冷启动的情况时，蓄电池的输入电压范围会与正常的范围有很大的出入。
在发电机运行期间，如果蓄电池的供电被突然截断，此时发电机会继续发电，使用发电机供电的用电器会出现电压突然增高的现象，如果不采取保护措施，将会损坏用电器。如果LED的驱动不是恒流驱动，LED的电流就会有所变化，造成LED的亮度变化，这就是为什么目前的汽车灯会存在闪烁现象。
负载断电测试是用来模仿负载突断的一些情形，不同的汽车厂商采用不同的标准，因此负载断电测试的定义也各不相同，负载断电测试的定义如图3-32所示。图3-32只是其中一个案例。尽管负载突降会造成负载电压升高，但大部分先进的交流发电机都配备了中央控制式负载断电钳位电路。12V总线系统的参考电平会被限制在35～42V之间，而24V总线系统的参考电平会被钳定在50～60V之间。
在天气寒冷的时候，启动装置会使蓄电池的供电电压大幅下跌，图3-33所示为“冷启动”测试的典型波形。由于LED驱动器的输入供电端连接蓄电池电源总线系统，因此像刹车灯这类涉及驾驶安全的汽车灯必须不受负载断电及冷启动的影响，甚至必须能够在这种情况下继续正常运行。在典型的情况下，12V总线系统的输入电压范围为6～42V，24V总线系统的输入电压范围为12～60V，所以在汽车用LED驱动器设计时，必须考虑汽车电源总线的特性。
图3-32 负载断电测试的定义
图3-33 “冷启动”测试的典型波形
“负载突降”是交流发电机正在给蓄电池充电而蓄电池电缆断接时出现的情况。在汽车正在工作时蓄电池电缆松动或汽车运转时蓄电池电缆断裂，都可能发生负载突降的情况。在交流发电机试图全力充电时蓄电池电缆突然断接，可能产生高达80V的瞬态电压尖峰。交流发电机上的瞬态电压抑制器通常将总线电压钳位在36～60V之间，并吸收大部分浪涌电流。不过，交流发电机的下游器件DC/DC变换器要承受这些36～60V的瞬态尖峰。由于这些变换器和由变换器供电的子系统在这种瞬态事件发生期间不能损坏，而且在某些情况下还要稳定输出电压，因此DC/DC变换器能够处理这些高压瞬态是至关重要的。可以在外部实现各种保护电路（通常是瞬态电压抑制器），但是外部电路提高了成本，而且需要占用宝贵的空间。
“冷车发动”是汽车发动机在寒冷或冰冻温度下停机一段时间后再启动发生的情况，这时机油变得非常黏稠，需要发动机启动器提供更大的扭转力，而这就需要蓄电池提供更大的电流。这种大电流负载能在点火时将蓄电池端电压拉至低于4V，之后电压一般会返回到标称的13.8V。对某些应用，如发动机控制、行车安全保障和导航系统等，需要一个非常稳定的输出电压（通常是3.3V），以在冷车发动时平滑工作。
使用大功率LED要面临的关键问题与挑战之一是LED的自热问题。LED的lm/W已取得了很大改进，但LED仍有多数的电能转化成热，因此热管理是可靠控制LED的关键。热管理主要指温度增加时减少电流，使用大功率LED的优点是电流变化较大时，眼睛无法察觉到亮度变化。一般而言，电流下降25%，单只LED的亮度变化并不明显。但是，LED会随温度与电流的变化而改变颜色，这点是否会影响汽车照明应用仍有待探讨。LED的频谱是否适用于照明，在一般夜视效果下是否会影响驾驶者的距离感，这些问题可能更加重要。
采用PWM方法来减低LED的亮度比，可得到更大的光暗比例，且色温不会发生变化，因此采用PWM方法减低LED的亮度是较好的方法。但是，频率的选择也很重要。一般认为频率为200Hz比较好，因为人眼不会感觉200Hz光的闪烁，此外较低的频率可确保处于低于开关式变换器的转换频率。但是，必须考虑前照灯存在频闪效应的潜在问题。一种较为合适的方法是使用更高频率来调节LED的亮度，从而避免“偏摆”效应。此外，必须优化电感器设计，避免在汽车内产生噪声。
LED的温度传感也是需要解决的问题。采用热敏电阻器是广泛使用的方法，若温度控制响应应设定为LED需要减少的电流所对应的温度上限。当环境温度降低时，简单的温度控制可导致LED的电流增加。
2.驱动LED的方式
采用LED照明将成为未来汽车的主要特征，这归功于LED相对于传统的白炽光照明方案所具有的许多基本优势。此外，采用LED照明也可带动汽车设计技术和设计风格上的变化。然而，正像任何创新技术一样，LED在被广泛用于汽车照明之前，仍需要克服许多困难。
为了确保汽车LED灯具有最佳的性能和长久的工作寿命，汽车用LED驱动器必须能够从汽车电源总线获取工作电源，而且要既经济又节省空间。为了保证更长的使用寿命，首要的是不超过LED的电压、电流和温度限制。为使LED达到最佳性能，需要一个精准恒流的电流源。正确使用LED（特别是正确控制LED的温度）可有效延长LED的预期寿命。相反，如果温度过高，LED很容易损坏。LED应用在汽车照明上还牵涉许多法律定义问题。大多数国家对刹车灯或前照灯故障（灯亮或熄灭）有明确定义。但对采用多个LED的灯具，很难准确定义照明灯是否已经损坏。
在实际应用中，为获取所需亮度的照明光源，需采取多只LED串联、并联或串并联混合的结构。同时，为保证LED的使用寿命，需根据LED阵列结构及LED的正向电压降（VF）和驱动电流（IF）来设计驱动电路。
汽车电源总线提供标称值为12V的电源，根据不同应用而导致的LED颜色和亮度差异，其允许的电压范围为2.68～4.88V。若采用1～3只LED组成（串联）LED阵列，则需使用降压型LED驱动器将汽车总线电源电压降至一个比较合适的范围。同样，在诸如汽车前照灯、转向灯等需多只（8只以上）LED串联组成阵列的应用场合，需采用升压型LED驱动器将输出电压调整至比较合适的范围。在汽车照明系统中，一般需要输出光通量范围为150～800lm。若采用Cree公司的XLampXR-ELED，理论上可达到100lm/W的发光效率，考虑到终端用户不同的照明亮度需求，可使用单通道多LED串联、多通道并联的组合LED阵列结构。
汽车电气供电系统通常以铅酸蓄电池为电源，该蓄电池由汽车发动机通过机械方式驱动的交流发电机经变换器充电。这样一个系统适合老式白炽灯泡，但不适合LED。如欲在输入电压不规则的情况下产生恒定的LED亮度，就必须从这些LED驱动器IC获得一个恒定的电流源。一个内部检测电阻器用于监视输出电流，以实现准确的电流调节。在一个很宽的电流范围内（35mA～1A）保持了高输出电流准确度，从而实现了宽调光范围。
在许多应用（特别是背面照明和车内照明）中，都有可能需要进行调光控制，因而要求LED驱动器提供一种用于调节输出电流（LED亮度）的简单方法。在LED驱动器设计中可通过一个PWM信号、DC电压或外部NMOS晶体管来完成调光操作，调光范围可高达3000:1。
在采用DC/DC变换器驱动LED的照明应用中，可以采用的LED驱动方式有电阻型、线性变换器及开关变换器等，LED的驱动方式如图3-34所示。在电阻型驱动方式中，调整与LED串联的电流检测电阻即可控制LED的正向电流，这种驱动方式易于设计、成本低，且没有电磁兼容（EMC）问题，劣势是依赖于电压，需要筛选（binning）LED，且能效较低。线性变换器同样易于设计且没有EMC问题，还支持电流稳流及过电流保护（foldback），且提供外部电流设定点，不足是其功率耗散问题及输入电压要始终高于正向电压，且能效不高。开关变换器通过PWM信号控制开关（FET）的开和关，进而控制电流的流动。开关变换器具有更高的能效，且能控制亮度，不足则是成本相对较高，复杂度也更高，且存在电磁干扰（EMI）问题。
图3-34 LED的驱动方式
DC/DC开关变换器常见的拓扑结构包括降压（Buck）、升压（Boost）、降压-升压（Buck-Boost）或单端一次电感变换器（SEPIC）等类型。其中，所有工作条件下最低输入电压都大于LED串最大电压时采用降压结构，如采用24V直流电源驱动6只串联的LED；与之相反，所有工作条件下最大输入电压都小于最低输出电压时采用升压结构，如采用12V直流电源驱动6只串联的LED；而输入电压与输出电压范围有交迭时可以采用降压-升压或SEPIC结构，如采用12V直流电源驱动4只串联的LED，但这种结构的成本及能效最不理想。
由于LED的亮度与流过的电流成正比，所以需要恒定的电流源来驱动LED。在任何情况下，流过LED的电流要保持恒定，才能确保LED亮度的一致性。另外还需要在任何情况下都能将纹波电流控制在可接受的水平。所以说LED驱动器的设计属于电源转换电路设计，其特点是恒流输出而非恒压输出。
图3-35 分立器件设计的恒流LED驱动器
（1）分立器件线性恒流LED驱动器
用分立器件设计的线性LED恒流驱动器相对简单。图3-35所示是采用分立器件设计的恒流LED驱动器。VD1是齐纳二极管（电压参考），VD2提供对晶体管基极的简单温度补偿。LED电流则由下式确定：
ILED=VD1/RSET （3-21）
采用分立器件设计的恒流LED驱动器，虽然电路简单，但与所有低效LED驱动器一样，都存在能量消耗和由电阻产生的发热问题。随着LED亮度的增加，发热会越来越严重。在电流较小、LED正向电压略低于电源电压时，这种类型的稳流方式较为适用。
（2）开关恒流LED驱动器
开关恒流LED驱动器在一个周期内，RLC（槽电路）电路被充电。在下一个周期，该电路储存的能量被用于驱动负载或用于增加驱动负载的能量。这种工作模式一般可实现高于80%的效率，在大多情况下还可达到90%以上。
在降压开关恒流LED驱动器电路中，流过LED的电流是连续的，但是交迭的。而整个电路的能耗却是不连续的，降压开关恒流LED驱动器电路如图3-36所示。该电路可在电源输入侧引发EMI问题，并通过电源线传导。
图3-36 降压开关恒流LED驱动器电路
开关恒流LED驱动器的工作过程是，当输入电压和LED电压之间存在压差时，电源给电感L充电。当电感中积聚起能量后，其端电压将下降而电流随之增加。当电流达到一个规定值时，控制电路将关断晶体管。然后在一定的关断时间内，由电感线圈内的部分能量给LED供电。这样就在LED上有交迭电流流过。开关恒流LED驱动器电路控制的电流峰值，可通过编程恒流器IC或外部器件设定该控制值，电流还取决于位于NFET开关漏极端检测电阻的选择。
若电源电压低于全部串接LED正向电压之和，则要选用升压开关恒流LED驱动器电路。因升压开关恒流LED驱动器电路除了要控制电流外，还要控制升高的电压，所以开关恒流LED驱动器电路较为复杂。这种升压开关恒流LED驱动器电路无法处理电源电压高于全部串接LED正向电压之和的情况，这种情况发生时，电流会不受控制地急剧增加。升压开关恒流LED驱动器电路如图3-37所示。
图3-37 升压开关恒流LED驱动器电路
这种LED驱动器还将产生流过LED的脉动电流，因流经LED的电流相对较大，所以它难以被滤除。原则上，简单升压开关恒流LED驱动器电路会在输出至LED的电流上产生更大的噪声。所以，在PCB布线时，要使驱动器与LED间的连线尽可能的短。
采用升压恒流LED驱动器驱动多串LED的背光照明系统可为汽车仪表板及导航系统显示器提供背光。另外，汽车仪表板显示器必须加设调光控制功能，以便控制LED背光的亮度。如在周围环境较亮时可以调高亮度，而在周围环境较暗时，可以调低亮度，以防止驾驶者的眼睛无法适应急剧的亮度转变，影响驾驶安全。此外，具有PWM调光功能的控制器必须具有很好的对比度，即具有很好的线性调整度。
（3）升压/降压恒流LED驱动器
一个好的升压LED驱动器的最稳定、最安全的方案是以级联方式将一个升压恒流LED驱动器和一个降压恒流LED驱动器组合在一起。一个升压恒流LED驱动器更适合为若干并联的降压恒流LED驱动器提供电源。对降低噪声来说，这种作法还是有显著的效果的。它集升压恒流LED驱动器优异的电压输出与降压恒流LED驱动器同样优异的电流输出于一身。
汽车照明中要用到升压/降压LED驱动器是因为蓄电池电压是波动的，在电压波动时，需要保持流过LED的电流恒定，升压/降压LED驱动器可以确保无论输入电压高于还是低于输出电压，电流都能保持恒定。这保证了在负载断电和冷启动的时候，保证与安全有关的照明灯具可以保持恒定的亮度。另外，多样化的LED汽车照明应用也需要不同的LED驱动器拓扑结构。部分汽车灯生产商希望能够有一个LED驱动平台可以适用于不同灯光系统的不同LED配置。升压/降压LED驱动器是大部分高亮度汽车灯光系统的理想驱动器选择方案。
LM3423是NS公司的一款升压/降压LED驱动器芯片，它不仅可以提供快速的调光控制、可靠的保护和故障显示等功能，还可以配置升压、浮动降压及浮动的升压/降压LED驱动器，满足不同车载LED驱动的要求。基于LM3423升压/降压变换器驱动LED电路如图3-38所示。
图3-38 基于LM3423升压/降压变换器驱动LED电路
（4）高电压驱动LED
当电源电压很高，而LED的正向压降（VF）与之相比要低10～20倍时，会出现与LED串接在一起的电感因极短的充电时间而引发的EMI问题。电感快速充电（和放电）将导致低效率，其充放电周期波形如图3-39a所示，其充放电频率比恒流的基本频率高10～20倍。对此要实现高效及降低辐射噪声的有效方法是，当电压相差10～20倍时，应选取比电感线圈最高频率低10～20倍的开关频率。当电源电压是串联LED正向电压的两倍时，其稳定的电流波形如图3-39b所示。
图3-39 充放电周期波形
（5）调光控制
汽车照明系统中要求进行调光控制，需要所选LED驱动器能提供方便的调节输出电流以控制LED的亮度。通常情况下，可采用外部RSET电阻、线性调节和PWM调节等技术来控制LED的亮度。上述方法各有利弊。在LED驱动器外部使用RSET电阻的方式缺乏灵活性，无法进行动态调节。线性调节可动态控制LED的亮度，但会降低LED的效率，并引起白光LED向黄色光谱的色彩偏移。相比较而言，PWM调节技术的优势十分明显，当PWM脉冲为有效高电平或低电平时，LED输入电流分别为最大或0，其导通时间受控于PWM引脚输入脉冲的占空比。由于LED始终工作于相同的电流条件下，通过施加一个PWM信号来控制LED亮度的做法可以在不改变色彩的情况下实现对LED亮度的动态调节。
PWM信号是串脉冲信号，可以通过切换电流开关来控制脉冲的发射，令LED发出超过100Hz的闪光，这样在视觉上会感觉到亮度已减，因为人眼会将亮度过滤/平均化。PWM调光功能是通过调控占空比来实现的，如果器件的占空比很小，那么调光的范围就会较大，能具有更好的线性度。
LM3423可支持快速调光控制以及“0”停机电流功能，适用于汽车导航系统显示器以及仪表板的LED背光系统。基于LM3423的升压LED驱动器如图3-40所示。它可以确保流过每个LED的电流是一致的，在LED下方串接了一个MOS管作为调光控制的开关。其中，nDIM引脚负责执行输入欠电压锁定以及PWM调光功能。每当输入PWM信号时，DDRV引脚便会驱动MOS-FET，使串联在一起的LED进行快速开关，以便控制亮度，调光控制频率可以高达50kHz。
图3-40 基于LM3423的升压LED驱动器
基于LM3423的升压LED驱动电路在很低的占空比条件下，可以保持同样的开关，流过LED的电流是恒定的。调光占空比是0.5%，输入电压为12V，LED的电流为100mA，驱动LED的数目为每串10个LED。这里的调光频率选择的是230Hz，当周围环境的亮度变暗时，汽车显示器的LED背光便会调低灯光的亮度。如果占空比很小，那么亮度就可以调得很低，在环境亮度很暗的时候，就不会觉得仪表盘的亮度很刺眼。
使用传统的升压模式的驱动器会面临一个问题：不管控制器驱动工作与否，其输入和输出之间都有一个通路，这种情况下，输入端的蓄电池会对负载有个直流的通路，会造成漏电。当用于车载照明时，汽车在长时间不用的时候，这个通路就会对蓄电池进行放电。另外一个问题是，输出端出现短路的时候，会对蓄电池进行放电。即使主开关已经关闭，也不会对输出端的漏电产生影响。针对这种情况，要在输出端加入熔丝，防止出现短路。利用LM3423可以解决这个问题，有效延长蓄电池的使用寿命。若LED串与地连接，形成短路，由FLT引脚负责驱动的输入端P-FET会随即被关闭，从而令输入路径成为开路，避免了漏电问题。
（6）开关恒流驱动器的噪声抑制
汽车上的电子系统可能会对噪声敏感，尤其是导航系统、无线电路和AM收音机。为了最大限度地降低噪声干扰，LED驱动器IC应采用恒定频率开关拓扑。而且，开关频率是用户可编程的，范围为200kHz～2MHz，以保持开关噪声在AM无线频段等主要频段之外。高开关频率还可以使用小电感器和陶瓷电容器，从而最大限度地缩小了解决方案的尺寸并降低了成本。
所有的开关恒流LED驱动器都产生噪声，若布局和布线设计不好，将在LED应用中产生严重的噪声。PCB布线和所选电缆对控制噪声水平至关重要。降低噪声的一般方法有：
1）降低开关频率。
2）连至LED的导线尽量短、电流环尽量小。
3）若连接LED需要长导线，应加装滤波器。
4）采用高速反馈二极管。
5）将开关晶体管放在PCB中央。
6）仔细选择电源线所用的电缆及加装的滤波器。
3.汽车内部LED照明驱动电路(www.daowen.com)
汽车内部照明应用包括仪表盘和仪表盘背光、顶灯和地图灯、安装在门上或车体上的开门灯以及背光。用于发光指示的LED在当今汽车照明应用中被大量采用。它们可以被集成在门把手附近，用于钥匙孔照明，或者是后视镜上的转向闪光灯，以及踏板照明和杯架照明等。发光指示的形状可以非常简单（直接透光），也能做得非常复杂，以满足精确照明的需要，汽车照明中的LED和发光指示如图3-41所示。
图3-41 汽车照明中的LED和发光指示
车内照明都可以使用LED作为光源，地图灯和顶灯通常使用一个LED，仪表盘和开门灯通常需要一个以上的LED串联实现。串联连接有利于避免不同LED的电流（对应颜色）失配。所有应用都需要一个集成了亮度调节功能的恒流源。需要在一个标准的值域内调整LED正向电流的方法并具有一定的精准度。在调节LED工作电流时采用标准N型沟道耗尽型晶体管（JFET）比使用电阻能获得更好的效果。JFET可以被看作是一个压控电阻。通过简单地调节栅源极电压，使源极能够提供相对稳定的电流，以此作为串联LED的电流源。与标准电阻相比，使用JFET能提供更高的效率。
图3-42 汽车LED光源的应用电路
图3-42所示的电路几乎涉及所有汽车LED光源的应用电路。如果LED电流低于100mA（大多数车内照明应用的类型都是背光或开关照明，电流一般为30mA），电阻值可由串联在LED两端的导通电压（Vfwd）计算得出。当使用13.5V之类的特殊电源电压时，电阻值的确定如下所示：
Vsupply−Vsw_bat−Vrpp−ILEDR1−2Vfwd=0V （3-22）
通常情况Vsw_bat=0V；Vsupply=13.5V；Vrp=0.8V；Vfwd=3.5V；ILED=30mA。
R1=[13.5−0.8−2×(3.5)]/0.03=5.7/0.03=190Ω
通过选用一个阻值在一定范围内的电阻作为补偿来解决LED最坏情况下的Vfwd压降问题。然而，供电电压在9～18V之间变化，LED电流也随之改变。在同样190Ω电阻和9V电压情况下重新调整公式，ILED值变为6.3mA。假定所有的参数保持不变，供电电压上升至18V时ILED值为53mA。为保持LED工作在允许的亮度范围内，需要根据供电电压的变化来调节LED的亮度。
汽车仪表板通常都要有背光，以便使驾驶员能够在光线较弱的情况下看清仪表盘和指针。首先，亮度调节能力是最重要的，此外，为了方便驾驶员对汽车状态进行了解，一些指示用灯也需要背光，例如安全气囊检验、动力系统状态、液面情况等。一般情况下，最多能同时应用30只LED。
将图3-42中的LED连接扩展为6路并联，并且在低压的一端由晶体管提供脉宽调制（PWM）亮度调节功能。先前计算出的电阻值用以调整LED的正向电流。因此，在给定电源电压的条件下，总电流的大小由LED并联支路的数量决定。同样，供电电压在9～18V之间变化，LED电流也随之改变。在实际应用中，供电电压为9V时，LED必须发出足够的亮度以便让驾驶员能够正确读出仪表板读数。在18V时，PCB的发热问题又会凸显，这将由背光照明系统使用的LED导通电压决定，红色、橙色、绿色和淡黄色LED的导通电压为2.4V，蓝色和白色LED可高至3.8V。如果在串联情况下前两个LED的导通电压为2.4V，那么可以再串联一个LED。也就是说，如果我们在一组LED中使用了一个标准的白光灯，那么此支路上的LED数就被限定为两个。如果车辆在维修时蓄电池极性接反，可产生高达−15V的反极性电压，此时需要一个反极性保护二极管。LED的反向额定电压一般为−5V，因此，在极性相反的情况下，我们需要一个阻塞二极管来保护LED。
通过控制电路低压端电压来调节LED亮度的电路如图3-43所示，可通过偏压电阻、晶体管或数字晶体管（如MMUN2211系列）来作为一个简单接口对LED进行控制。晶体管具有集成的Rb和Rbe电阻，因此使用逻辑电平信号便足以驱动基本的发射极电路。通过使用这样的晶体管并以单频控制PWM的占空比，可为电路中的LED提供一个较宽的亮度调节范围。
图3-43 通过控制电路低压端电压来调节LED亮度的电路
用耗尽型N沟道场效应管替换图3-43电路中的190Ω电阻便可构成图3-44所示的电路。简单地将栅极与源极短接，通过使用1V以上的电压将漏极与源极偏置，可产生LED驱动电流。在使用JFET代替电阻来调整LED正向电流的过程中，当漏源电压增大（蓄电池电压变化）时，电流仍可保持相对稳定。图3-45所示为JFET的稳流特性，在供电电压的正常工作范围内，可通过测定JFET的伏安特性曲线来深入了解它的这一特性。
图3-44 采用耗尽型N沟道场效应管的电路
图3-45 JFET的稳流特性
在图3-45所示的JFET伏安特性曲线中，在线性区域，通过JFET的电流随着漏-源极间的压降增大而呈线性增长。这个区域的电压范围相对较窄（大于LED正向压降且小于1.5V）。在图3-43所示的电路中，取反极性二极管压降为0.8V，留给190Ω电阻1.2V电压，此时LED电流为6.3mA。而在图3-44所示的电路中，JFET的压降为1.2V，这就使LED的电流变为21mA。因此，在较低的线路电压条件下，使用JFET偏置方法所提供的LED电流约为图3-42中供电方式的3.5倍。
在图3-45所示的JFET伏安特性曲线中，恒流区的电压范围为1.5（LED导通电压）～6V（Vbattery为9.2～14.5V）。此恒流区明确了JFET饱和漏极电流Idss的大小。通过将栅极与源极短接，此区域内的Idss便成为恒流源电流，并且此恒定电流值可根据需要选取。
与电阻相比，利用JFET的恒流区产生恒定电流能获得更好的效果。针对单一偏置电流制造出的LED所拥有的导通电压服从正态分布，在电源电压为13.5V时，为了使输出的电流保持在30mA，必须要解决由LED导通电压的偏差所带来的压降问题。此时如果想按照图3-43所示电路正常使用LED，需要电阻来补偿电路中不同LED的不同正向电压。作为替代，如果使用图3-46所示的改进的LED驱动电路将能够忽略LED的导通电压，从而直接提供某一特定值的稳定电流。
图3-46 改进的LED驱动电路
在图3-47所示的电路中的第三个区域是图3-45所示区域中电压达到40V之前的延续。在偏置情况下，在供电电压从6V升至40V期间，由于元器件内沟道的电场作用使得JFET电流曲线呈现出折回形态。在沟道电场作用下，载流子被赶出沟道，此方式可有效减小JFET上的电流与功率损耗。这种自保护功能使得JFET在遇到极高的电压时也能正常为LED偏置提供恒流驱动。
效率比较曲线如图3-48所示，30V压降下190Ω电阻的功率为4.7W，ILED为156mA。此类电流带来功率耗损，并会缩短LED的使用寿命。使用JFET来为LED偏置提供电流已经获得了广泛认同，在图3-49a所示的电路中，通过并联3只30mA的JFET产生90mA的LED偏置电流。在图3-49b所示的电路中，将JFET与一只2.7kΩ电阻并联，使之通过微调Idss电流，在最高20V电压下也能提供一个相当平稳的恒定电流。在图3-49c所示的电路中，JFET与一只200Ω的电阻串联，这个电阻的作用是减小Vgs电压，以此达到减小Idss电流的目的。
图3-47 Vds达到40V之前的电压电流曲线
图3-48 效率比较曲线
图3-49 采用JFET为LED提供电流的实用电路
在许多汽车LED应用中，通过使用电阻偏置电路配以JFET恒流源，为设计带来了很大的方便。这种恒流源无论是在低、中、高线路电压下都能胜任。此外，可以通过增加电阻或附加并联的JFET很容易地调整JFET供电电流的大小。然而通过JFET使LED偏置所带来的最大优势是，可以忽略为补偿每个LED固有的导通电压差异所必需的大范围电阻值。
利用DC/DC稳压变换器驱动LED的解决方案是在FB端至GND配置一个电阻器RFB以调节LED电流。以此方式，升压式DC/DC稳压变换器的输出会连接至白光LED正极，而白光LED电流则由负极经RFB电阻器流至接地端。其输出电压会一直上升到RFB电阻器的设定值，即直到RFB电阻器两端的电压降到FB端给定电压。虽然此方式提供精确的电流调节，但也有很多缺点，最严重的是效率不佳。
对于升压式DC/DC稳压变换器，输入电流将保证大于或等于输出电流，因为白光LED正向电压通常低于电源（蓄电池）电压，即使在最佳情况下，相对于一个降压或全桥式电路而言，升压式电路的效率是不佳的。此外，由于升压变换器无法控制输出电压低于输入电压VIN，一个相对高的FB端电压成为必须，以确保变换器永远为升压，以高VIN及低VLED状态调节白光LED电流。高VFB的驱动电路将降低电路的工作效率，因为ILEDVFB代表额外的功率损失。
如果一个应用使用两个或多个并联的白光LED，若不能实现精确的电流匹配，两只白光LED之间发光效率和效果将产生较大的差异，解决的方法是将白光LED串联连接，而此需要升压变换器的输出电压满足两只白光LED正向电压的要求。如果两只白光LED必须并联连接，应设计有每只白光LED独立的电流控制功能，此电流控制电路应尽可能地将跨在电流检测电阻上的电压降控制到最小。白光LED在应用中的另一个问题是可见光的存在，这是由一个在正向电流降到微安培级数时白光LED所产生的。若没有白光LED切断连接功能，应在白光LED回路中串联一个开关，在关机时将此开关同时关断，以保证没有电流流经白光LED。
图3-50a所示电路是采用反馈电阻RFB1和RFB2恒压驱动电路，当负载电流发生变化时，VFB也随之变化，DC/DC变换器通过检测VFB的变化，使输出电压维持在一个固定的电平：
Vo=[VFB(RFB1+RFB2)]/RFB1 （3-23）
在图3-50b所示的电路中，DC/DC变换器的FB是高阻输入端，流经LED的电流IF为
IF=VFB/RFB （3-24）
图3-50 利用DC/DC驱动电路
为保持IF恒定，DC/DC变换器检测VFB，然后调整LED正端电压，使流经LED的电流保持恒定。这就是利用DC/DC变换器FB反馈端实现恒压到恒流转换的原理。
一般来说，DC/DC变换器对VFB的变化有一个检测的范围，一旦LED选定，其工作电流IF的大小也就确定了，所选的电阻要保证VFB落在DC/DC变换器容许的范围内。
以VFB等于1.25V为例，假设IF分别为15mA、350mA和700mA，采样电阻的功耗将分别小于20mW、400mW和800mW。对于1W的LED来说，采样电阻的功耗分别占到总电源消耗的20%、40%和80%。因此，采样电阻值对提高LED驱动电路的效率至关重要，它应该选取尽可能小的数值。
由于直接将RFB连接FB端会造成RFB的功耗过大，所以在FB端和RFB之间放置一个运算放大器，以放大RFB采集到的电压VTAP。在FB反馈端和RFB之间放置一个运算放大器的电路如图3-51所示。
图3-51 在FB反馈端和RFB之间放置一个运算放大器的电路
IF=VTAP/RFB=(VFB/RFB)×(1+RF/RI)（ 3-25）
通常，1W的大功率LED的典型工作电流为350mA，如果选择RFB等于1Ω，则RFB的功耗为
PRFB=I2R=0.3521=0.12W
考虑运算放大器本身的功耗，RFB及其附属电路的功耗大约为1W的LED功率的12%。这样就能在确保LED获得恒流供电的同时，将RFB的功耗降低到可以接受的水平，从而使LED两端的电压尽可能大，流经的电流也尽可能大。
LM2734是1A降压型变换器，基于LM2734的恒流驱动电路如图3-52所示。利用LM321运算放大器获取采样电阻Rset上的电压，结合其他电阻和电容就可以构成一个完整、高效率的大功率LED恒流驱动电路。在实际使用中，有些LED恒流驱动电路可以直接从采样电阻获取反馈电压。从采样电阻直接获取反馈电压的设计如图3-53所示。
在图3-52所示电路中，采样电阻Rset决定了恒流驱动电路的设计，而且对整个系统的效率有重要的影响，因此Rset的设计参数对节省能源至关重要。一般来说，如果要求LED驱动电流的变化不超过标称值的5%～10%，那么采用精度为2%的电阻就足够了。LED驱动电流的典型波动范围是±10%。由于采样电阻消耗的功率较大，应避免使用功率较小的贴片电阻。
图3-52 基于LM2734的恒流驱动电路
图3-53 从采样电阻直接获取反馈电压的设计
4.LED拓扑
在LED照明应用中通常会使用多只LED，这就涉及多只LED的排列方式的问题。各种排列方式中，首选驱动串联的单串LED，因为这种方式不论正向电压如何变化、输出电压（Vout）如何“漂移”，均提供极佳的电流匹配性能。当然也可以采用并联、串并联组合及交叉连接等其他排列方式，用于需要“相互匹配的”LED正向电压的应用，并获得其他优势。如在交叉连接中，如果其中某个LED因故障开路，电路中仅有1只LED的驱动电流会加倍，从而尽量减少对整个电路的影响。考虑由一个电流源驱动的串并联阵列，交叉连接的串并联阵列如图3-54所示。对于本应用而言，电路将成为以相同的30～40V输出电压输出3.5A的单个电流源。
图3-54 交叉连接的串并联阵列
这个方案实际上并不实用。首先，即使是像如图3-54中所示的那样交叉连接，不同LED的VF之间存在自然差异，这意味着来自驱动器的3.5A电流将不能在不同的LED之间均匀分配。虽然可以非常严格地按照VF对LED进行分类，以此来改善电流不匹配，但这种改善只在LED芯片温度为25℃（进行分类的温度）时有效。一旦芯片温度上升，VF开始下降。而且如同VF本身一样，不同LED的电压随温度变化的情况也不相同。在25℃时电流完美匹配的阵列达到热稳态，将再次变得不平衡。由于LED电流之间存在正反馈回路，正向电压下降，芯片温度会上升。那些VF下降较多的LED会抽取更多的电流，导致其芯片更热，从而导致VF进一步下降。
设计中若采用串并联方法，当LED发生故障为开路时，图3-55中所示的电流源将继续输出全部电流，会增加电流。因电流增加发生故障的LED可能变为短路，这会导致阵列的电压大幅下降，造成不平衡。电流的任何不平衡会导致阵列中的其他LED过热，短时间内会减少光输出，长时间会降低流明维持率，这会导致LED过早变暗或报废。
图3-55 串并联阵列
5.温度补偿技术
与其他的光源相比，LED会产生严重的散热问题，这主要是因为LED不通过红外辐射进行散热。一般而言，用于驱动LED的功耗有75%～85%最终转换为热能，过多的热量会减少LED的光输出和产生偏色，加速LED老化。因此，热管理是LED系统设计最重要的一个方面。LED系统生产商通过寻求优化的散热器、高效的印制电路板、高热导率的外壳等来应对这一挑战。
根据LED结温的不同，红和黄色的砷化镓（GaAs）和磷砷化镓（GaAsP）LED的光输出有很大变化。在25℃时，100%光输出的LED，在80℃时光输出将只有40%。设计中应对这种光输出改变实施补偿。使用温度补偿PTC和NTC电阻，在80℃时的相对光输出可实现最大。在LED结温低于80℃时，PTC电阻将变成一个相对低的值并成比例地减小电流。这样，就需对PTC系数和LED光输出进行平衡。
一般而言，LED的产品规格书中都会标明不同环境温度（或LED焊点的温度）下的最高容许输出电流的曲线。当周围温度低于安全温度点，输出最高容许电流保持不变；当高于安全温度点，输出最高容许电流随周围温度升高而降低，即所谓的降额曲线。为确保LED的性能寿命不受影响，必须保证LED工作在降额曲线与横、纵坐标轴所包络的安全区内。
但是，目前大多数LED灯具生产商都将LED的驱动电流设计为不随温度变化的恒流源。因此，当LED周围温度高于安全温度点时，工作电流就不在安全区内，这将导致LED的寿命远低于规格书中的数值甚至直接损坏。而LED周围温度过高是由LED自身发热导致的，目前有两种办法可以解决这个问题。
一种办法是使用导热性更好的散热装置，减小LED芯片至环境的热阻，控制LED内部温度不至比环境温度高太多，但这需要较高的成本。此外，难以避免的问题是，当散热装置使用一段时间后在灯体外壳的散热片上沉积灰尘，以及铝合金基敷铜板上连接铜层和铝基板的介质层老化脱胶都将导致热阻较大幅度地上升，导致整体散热性能下降。另一种办法是使LED工作在安全区边际，这样既满足在安全温度点内输出电流、输出功率工作在额定状态且恒定，而且在高于安全温度点输出电流按比例下降进行负补偿，保证LED的使用寿命，这就是温度补偿的含义。
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