基于改進滑?？刂撇呗缘钠嘗ED前照燈驅動器設計

摘 要：為了實現(xiàn)汽車LED前照燈遠近光光照度和色溫的無極調節(jié)，提出一種基于改進滑?？刂撇呗缘男滦蚅ED前照燈驅動器設計方案。采用4路獨立控制的Boost變換器作為主電路拓撲，分別控制近光暖光、近光冷光、遠光暖光、遠光冷光燈組，構建了該電路拓撲的數(shù)學模型，并提出了一種新型復合滑模控制策略。在此基礎上進行了軟硬件設計，研制了一臺36 W的試驗樣機，對該控制策略進行了試驗驗證。結果表明：基于提出的新型基準占空比調制的復合滑?？刂撇呗栽O計的LED前照燈驅動器可分別通過設置參考電流值和色溫給定系數(shù)無極調節(jié)LED燈的光照度和色溫；近光冷、暖LED的輸出電壓紋波約為1 V，響應時間僅約為0.1 s，系統(tǒng)輸出穩(wěn)定、響應速度快、切換流暢。研究結果可為汽車LED前照燈的自動化設計提供參考。

關鍵詞：電力電子技術；驅動器；汽車LED前照燈；Boost變換器；滑模控制

中圖分類號：

TM461

文獻標識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2024yx04009

Design of automobile LED headlamp driver based on improved sliding mode control strategy

LI Yazhuo， CHENG Xufeng， HAN Mingyang

（School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract：In order to realize the stepless adjustment of the high and low beam illumination and color temperature of automobile LED headlamps， a new LED headlamp driver design scheme based on an enhanced sliding mode control strategy was proposed. The main circuit topology adopt a four-channel independent Boost converter to control the low beam warm light， low beam cold light， high beam warm light and high beam cold light， respectively. A mathematical model of the circuit topology was constructed， and a new composite sliding mode control strategy was proposed. On this basis， the software and hardware designs were carried out， and a 36 W test prototype was developed to verify the control strategy through experiments. The results show that the LED headlamp driver based on the proposed composite sliding mode control strategy of the new reference duty cycle modulation can adjust the illumination and color temperature of the LED headlamp by setting the reference current value and the color temperature given coefficient， respectively. The output voltage ripple of the low beam cold and warm LED is about 1 V， and the response time is only about 0.1 s. The system has stable output， fast response speed and smooth switching. The research results can provide reference for the automation design of automobile LED headlamp.

Keywords：power electronics; driver; automobile LED headlamp; Boost converter; sliding mode control

汽車發(fā)光二極管（light emitting diode， LED）燈相比于傳統(tǒng)鹵素燈具有效率高、工作壽命長、體積小、亮度高等優(yōu)勢，所以被應用在越來越多的汽車上[1-3]。汽車LED前照燈的光照度和色溫是汽車行駛中非常重要的安全保障，其中LED燈的光照度負責提供充足的照明，提高駕駛員在夜晚或惡劣天氣的能見度，還可以防止強光刺激眼部[4-5];而色溫可以增強前照燈的穿透性，是霧霾天氣中汽車安全行駛的重要保證[6-8]。具有無極調節(jié)光照度和色溫功能的汽車LED前照燈，可以根據(jù)不同的能見度和行駛環(huán)境進行實時調整，可極大地提升駕駛舒適度和行車安全?；诖?，LED驅動器成為研究熱點。目前的LED驅動器主要分為開關電源型和線性穩(wěn)壓器型[8]，開關電源比線性穩(wěn)壓器的效率更高、輸出電壓范圍更大、發(fā)熱更低，是LED驅動器電路結構的主流[10]。

對于LED驅動器，文獻[11]設計了基于Buck變換器的汽車LED前照燈驅動器，通過脈沖寬度調制（pulse width modulation， PWM）實現(xiàn)對光照度的調節(jié)，采用電位器調節(jié)色溫，然而，電位器的加入增加了系統(tǒng)的損耗，且手動操作無法做到LED的無極調節(jié)。文獻[12]提出一種基于Boost變換器的混合升壓LED驅動器，在降低開關器件電壓應力的同時實現(xiàn)LED的光照度調節(jié)。文獻[13]和文獻[14]提出一種3路Buck 以及三電平Boost變換器的LED驅動器，實現(xiàn)了寬范圍的LED光照度調節(jié)。文獻[15]和文獻[16]在Buck/Boost變換器中引入軟開關電路，可以實現(xiàn)場效應管（metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET）的零電壓開通，在實現(xiàn)LED光照度調節(jié)的同時提高了LED驅動器的效率。以上文獻中的LED驅動器均僅能實現(xiàn)LED的光照度調節(jié)，對于LED的色溫則無法做到無極調節(jié)。

本文提出一種基于新型基準占空比調制的復合滑?？刂撇呗缘腖ED驅動器設計方案，采用4路獨立控制的Boost變換器作為主驅動電路，實現(xiàn)對汽車LED前照燈的光照度和色溫的無極調節(jié)。

1 電路拓撲和控制策略

1.1 驅動器的主電路拓撲

目前的LED驅動器主要基于Buck變換器或Boost變換器[11-16]，Buck變換器為降壓變換器，Boost為升壓變換器，汽車電源多數(shù)采用12 V低壓電源，而汽車LED前照燈的電壓約為35 V左右，需要工作在升壓狀態(tài)，所以本文選擇基于Boost變換器設計驅動器電路實現(xiàn)對LED燈的電流實時調節(jié)，從而達到無極調節(jié)LED光照度的目的。

本文所提出的汽車LED前照燈驅動器的主電路拓撲由4路Boost變換器組成（如圖1所示）。其中：上2路Boost變換器控制近光狀態(tài)下的光照度和色溫，下2路Boost變換器控制遠光狀態(tài)下的光照度和色溫；Vin是電源輸入端電壓；Cin是輸入濾波電容；L1，L2，L3，L4是輸入濾波電感；IL1，IL2，IL3，IL4是輸入濾波電感的電流；Q1，Q2，Q3，Q4是Boost變換器的主開關管；D1，D2，D3，D4是輸出續(xù)流二極管；Co1，Co2，Co3，Co4是輸出濾波電容；IJC，IJH分別為近光冷、暖燈珠的驅動電流，IYC，IYH分別為遠光冷、暖燈珠的驅動電流。圖2為LED燈珠的布置圖，每個LED單元由2個LED燈珠組成，一個為冷色燈光，另一個為暖色燈光。多個LED單元進行串聯(lián)組成LED前照燈，其中串聯(lián)時冷色燈珠和冷色燈珠串聯(lián)，暖色燈珠和暖色燈珠串聯(lián)。串聯(lián)完成后，LED燈的4個陽極對應的電壓分別為VJC，VJH，VYC，VYH，其中VJC，VJH分別是近光冷、暖色燈珠陽極對應的電壓，VYC，VYH分別是遠光冷、暖色燈珠陽極對應的電壓，分別與圖1中的VJC，VJH，VYC，VYH一致。4組串聯(lián)的LED燈珠共地，與圖1中的地相連。

1.2 驅動器控制策略

對于驅動器的控制，本文提出一種新型基準占空比調制的復合滑模控制策略。由于該驅動系統(tǒng)在近光和遠光狀態(tài)下對于光照度和色溫的控制策略完全一樣，本文只介紹系統(tǒng)在近光狀態(tài)下的控制策略，圖3為近光控制系統(tǒng)結構圖。

由圖3可知，光照度給定值變換模塊將給定的光照度值轉換成對應的電流參考值，用電流參考值IR減去近光總驅動電流值IJG，得到電流誤差e，再和輸入電壓、近光冷光驅動電壓、近光暖光驅動電壓共同送入滑模控制器。滑?？刂破髟O計的關鍵在于滑模面和趨近率的建立，確保系統(tǒng)可以在短時間內收斂。在此之前需要先構建系統(tǒng)的數(shù)學模型，本文構建的數(shù)學模型中，輸入電壓為實際汽車中的供電電源，是一個范圍值，在構建數(shù)學模型時忽略電磁干擾帶來的擾動以及熱噪聲帶來的噪聲。根據(jù)圖1的主電路模型可以得到LED前照燈驅動器的數(shù)學模型表達式為

dIJGdt=2VinL+VJC+VJHLD－1，

dVJCdt=－VJC+Vf1CoRJC+IL1Co1－D，

dVJHdt=－VJH+Vf2CoRJH+IL2Co1－D，（1）

式（1）中：IJG為近光總驅動電流；Vf1，Vf2分別為近光冷、暖光LED的前向電壓；L為2個濾波電感器的電感；D為2個主開關的占空比初始值；Co為2個輸出濾波電容器的電容；RJC，RJH分別為近光冷、暖光LED的內阻；d為微分；t為時間。利用誤差值進行滑模面的設計，本文采用線性滑模面與積分滑模面相結合的方式，構建出的滑模面表達式為

S=Ce+∫edt，（2）

式（2）中：S為滑模面函數(shù)；C為滑模面系數(shù)；e為電流誤差。對式（2）求導并選擇指數(shù)趨近率得到式（3）：

dSdt=

－2CVinL+e－CVJC+VJHLD－1=

－nsgnS－kS，（3）

式中：n和k為開關系數(shù)；sgn為符號函數(shù)，即Sgt;0，則sgn（S）=1；S=0，sgn（S）=0；Slt;0，sgn（S）=-1。最終得出控制量占空比初始值為

D=1－2VinVJC+VJH+LeCVJC+VJH+

LnsgnS+LkSCVJC+VJH。（4）

根據(jù)VJH，VJC，IJH，IJC分別計算出近光LED冷光燈組和暖光燈組的基準占空比?；鶞收伎毡葹锽oost變換器輸出該LED前向電壓時的占空比，可以在驅動中通過記錄IJH，IJC分別由0開始增大時，對應的VJH，VJC相應的占空比來計算得到。先將占空比初始值減去2個基準占空比，得出可控的占空比部分，再乘以色溫給定系數(shù)X（冷、暖色溫給定系數(shù)和為1，系數(shù)越大，色溫越暖），通過X對占空比再分配，最后加上基準占空比值，送入PWM發(fā)生器，驅動Boost變換器實現(xiàn)LED指定的光照度和色溫。即，由總驅動電流控制汽車LED前照燈的光照度，由色溫給定系數(shù)控制色溫，從而實現(xiàn)汽車LED前照燈光照度與色溫的無極調節(jié)。

2 樣機設計

2.1 主電路設計

因為4路Boost變換器在結構和選型上完全一樣，所以本文給出近光冷光LED驅動器的硬件設計圖，見圖4。驅動器的輸入電壓采用8～15 V直流電源供給，與汽車中的12 V低壓電源系統(tǒng)一致；總輸入濾波電容采用1 000 μF的直插式電解電容器；4路獨立Boost變換器的輸入端均并聯(lián)1 μF CBB電容器濾波，其中，電解電容器負責濾除低頻干擾，CBB電容器負責濾除高頻干擾；為了降低Boost變換器的輸出紋波，需要使電感電流為連續(xù)狀態(tài)，所以輸入濾波電感值需要大一些。

本文采用的輸入濾波電感均為1 mH；MOSFET為英飛凌（Infineon）科技公司提供的IRFS4615，最大漏源電壓為150 V，最大導通電流為33 A；續(xù)流二極管為SMC（中國）有限公司提供的MBRB2060CT肖特基二極管，最大反向電壓為60 V；輸出濾波電容原理與輸入電容一致，同樣采用1 μF CBB電容器濾波和1 000 μF的直插式電解電容器并聯(lián)。

2.2 驅動電路設計

本文所選用的MOSFET驅動電壓幅值為±20 V，無法直接使用單片機驅動開關管，所以需要設計驅動電路將單片機輸出的PWM信號上升為可以驅動MOSFET的柵源電壓。單片機PA8，PA9，PA10，PA11引腳負責輸出PWM信號。因為驅動芯片集成度高、方便使用，本文基于驅動芯片設計驅動電路，4個MOSFET的驅動電路相同，其中Q1的驅動電路如圖5所示。

每個MOSFET都由驅動芯片單獨控制，可以將單片機中的0/3.3 V驅動信號轉化為0/12 V，精準控制開關管。驅動芯片原邊所需的3.3 V電源由單片機開發(fā)板中的三端穩(wěn)壓器提供，芯片副邊所需的12 V電源為由廣州金升陽科技有限公司提供的URB2412S-10WR3電源模塊，將輸入電壓Vin轉化為12 V作為電流電源給驅動芯片供電。

2.3 采樣電路設計

Boost變換器以總輸出電流為控制目標，需要實時采樣輸入電壓值Vin，總電流值IJG和IYG，遠、近光輸出電壓VYC，VYH，VJC，VJH。其中遠、近光的總電流采樣電路如圖6所示，2路電流采樣電路相同，傳感器為奧力格（allegro）公司提供的高精度電流傳感器ACS-712-5A，負責檢測電流，為了防止傳感器的輸出電壓大于單片機ADC采樣電壓范圍，需要添加電阻分壓電路，最后傳入運算放大器，運算放大器采用德州儀器（TI）公司的TL072IDR，

可以增大采樣電路的抗干擾能力，以降低干擾。傳感器和運算放大器所需的電壓均為由廣州金升陽科技有限公司提供的URA2405S-6WR3電源模塊。

圖7為驅動器的輸入電壓和近光輸出電壓采樣電路。首先通過電阻分壓電路降壓，再通過測量分壓電阻的電壓進而得出總測量電壓值，然后通過RC低通濾波電路濾除高頻干擾，最后經(jīng)過運算放大器傳入單片機ADC引腳。

2.4 微控制器控制流程

本文微控制器采用意法半導體（STMicroelectronics）有限公司提供的STM32F334單片機數(shù)字控制器，該單片機具有極高的PWM分辨率，其程序流程如圖8所示。

由圖可知，微控制器系統(tǒng)初始化后，采用定時器觸發(fā)單片機ADC采樣，ADC采樣完成之后進入中斷。在中斷服務函數(shù)中，首先，讀取輸入電壓值判斷系統(tǒng)是否欠壓，當輸入電壓小于8 V時進入欠壓保護狀態(tài)，系統(tǒng)終止運行。當檢測到系統(tǒng)不欠壓時首先通過燈光類型標志位判斷LED前照燈的種類。然后，將采樣的電壓、電流值送入滑?？刂破鳎ㄟ^計算可以得出占空比初始值，在對占空比初始值進行限幅設置后進行色溫調節(jié)計算。最后，將得出的最終占空比值送入單片機PWM模塊，生成開關信號。

3 實驗結果

本文基于所提出的電路拓撲和控制策略，使用PLECS仿真軟件搭建了LED驅動器系統(tǒng)的仿真模型，仿真結果符合預期設想，初步確定了提出的LED驅動器方案的可行性。在此基礎之上設計了一個額定功率為36 W的汽車LED驅動器試驗樣機（如圖9所示）。其采用4個遠、近冷暖LED大燈模擬汽車前照燈，經(jīng)測量近光冷、暖光LED基準占空比分別約為0.51，0.52，遠光冷、暖光LED基準占空比分別約為0.52，0.53，該樣機參數(shù)如表1所示。由表可知，樣機各項參數(shù)均與實際汽車參數(shù)相近。本文將以近光燈為例，分別從開環(huán)測試和閉環(huán)測試2個方面驗證方案的可行性。

3.1 開環(huán)測試

開環(huán)測試中，將占空比初始值設定為0.7，圖10為色溫給定系數(shù)X分別為0.8，0.5，0.2時的燈光效果圖。由圖10可以看出，燈光依次為冷光、中性光、暖光，在微控制器中色溫給定系數(shù)可以被設定為任意值，所以該設計方案可以實現(xiàn)色溫的無級調節(jié)。另外，本文還提供了色溫為0.2時的主開關Q1，Q2的柵源電壓波形，如圖11所示。由圖可以看出，由于設定為暖光，Q1柵源電壓的占空比約為0.5，Q2柵源電壓約為0.6。由圖10和圖11可以看出，LED驅動器試驗樣機可以實現(xiàn)調節(jié)色溫，且對開關管的控制正常，符合預期設想。

3.2 閉環(huán)測試

閉環(huán)測試中，設置控制器的參數(shù)：C=0.255；n=200；k=19 641；設置X=0.5，參考電流初始值IR=0.1 A，1 s之后跳變?yōu)?.0 A，再經(jīng)1 s后變?yōu)?.5 A，再經(jīng)1 s后回到1.0 A，如此循環(huán)。分別測量總驅動電流以及驅動電壓的波形，其中總驅動電流由測量單片機的ADC引腳電壓值得出，如圖12所示。

由圖12可以看出，波形圖中的紋波是由電磁干擾造成的，當IR分別為0.1，1.0，0.5 A時，對應的單片機ADC引腳的電壓值VADC分別約為1.73，1.79，1.77 V，ADC引腳電壓與ADC值的比為3.3/4 096，轉換為ADC值依次分別約為2 147，2 222，2 197，最終算出的電流值分別為0.104，1.000，0.504 A，與參考電流值幾乎相等，滿足預期要求。

近光冷、暖LED驅動電壓波形如圖13所示，由圖可知，當參考電流值IR=0.1 A時，冷光LED驅動電壓VJC≈27 V，暖光LED驅動電壓VJH≈28 V；當IR=1.0 A時，VJC≈31 V，VJH≈32 V；當IR=0.5 A時，VJC≈29 V，VJH≈30 V。冷、暖光燈驅動電壓的細小差別是由2個LED前向電壓造成的。從圖中可以看出，輸出電壓紋波約為1 V，系統(tǒng)控制穩(wěn)定，波形平緩，響應速度快，響應時間僅約為0.1 s。

綜上所述，本文提出的LED驅動器通過參考電流值調節(jié)光照度，通過色溫給定系數(shù)調節(jié)色溫，2個參數(shù)均在單片機控制器中設置，本文選用的單片機的PWM生成器具有極高的分辨率，幾乎可以生成任意占空比的控制信號，所以該LED驅動器可以做到LED光照度和色溫的無極調節(jié)。

4 結 語

為了滿足汽車LED前照燈光照度和色溫無極調節(jié)的需求，本文提出一種基于改進滑?？刂撇呗缘钠嘗ED前照燈驅動器，并通過搭建試驗樣機驗證了方案的合理性，得到以下結論。

1）提出的新型基準占空比調制的復合滑?？刂撇呗钥梢酝瑫r實現(xiàn)光照度與色溫的無極調節(jié)。開環(huán)測試中，通過設置該LED前照燈驅動器的參考電流值和色溫給定系數(shù)可以無極調節(jié)LED燈的光照度和色溫；閉環(huán)測試中，近光冷、暖LED的輸出電壓紋波約為1 V，響應時間僅約為0.1 s，系統(tǒng)魯棒性強、響應速度快。

2）主電路采用4路對稱的Boost變換器，并通過提出的燈珠布置方式來分別控制遠光冷光、遠光暖光、近光冷光、近光暖光4個燈組，這4個燈組均為獨立控制，互不干擾，遠近燈光切換流暢，4路拓撲結構對稱，易于硬件設計。

本文是以目前大多數(shù)12 V低壓供電的新能源汽車為例進行LED驅動器設計，由于新能源汽車種類較多，汽車供電電壓也不一樣，后續(xù)將對LED驅動器的電路結構進行優(yōu)化設計，拓寬LED驅動器的增益范圍，以滿足各種類型汽車的LED前照燈驅動器的要求。

參考文獻/References：

[1]

鄧慧瓊，張曉飛，曾凡淦，等.基于動態(tài)分時電價的電動汽車有序充放電調度策略[J].河北科技大學學報，2022，43（3）：240-248.

DENG Huiqiong，ZHANG Xiaofei，ZENG Fangan，et al.Orderly charging and discharging scheduling strategy of electric vehiclebased on dynamic TOU price[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2022，43（3）：240-248.

[2] 徐嘉楠，姜愛華.自動共享電動汽車的云-邊協(xié)調優(yōu)化模型與控制策略[J].河北科技大學學報，2023，44（1）：1-11.

XU Jia’nan，JIANG Aihua.Cloud-edge coordinative optimization model and control strategy for shared autonomous electric vehicles[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2023，44（1）：1-11.

[3] CASTRO I，VAZQUEZ A，ALLER D G，et al.On supplying LEDs from very low DC voltages with high-frequency AC-LED drivers[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2019，34（6）：5711-5719.

[4] 周紹棟，聶暢，張輝，等.汽車前照燈發(fā)展綜述與智能化趨勢展望[J].機械工程學報，2023，59（22）：380-400.

ZHOU Shaodong，NIE Chang，ZHANG Hui，et al.Intelligent automobile headlights：Recent developments and future trends[J].Journal of Mechanical Engineering，2023，59（22）：380-400.

[5] 徐曉冰，徐治戶，穆道明，等.基于改進粒子群算法的LED室內照明光照均勻性研究[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2019，42（7）：918-923.

XU Xiaobing，XU Zhihu，MU Daoming，et al.Research on LED indoor lighting uniformity based on improved particle swarm optimization[J].Journal of Hefei University of Technology（Natural Science），2019，42（7）：918-923.

[6] 吳杰，豐建芬，徐健，等.色溫可調式汽車RGB激光模組的研究與設計[J].應用激光，2018，38（4）：694-700.

WU Jie，F(xiàn)ENG Jianfen，XU Jian，et al.Research and design of adjustable color temperature automotive RGB laser modules[J].Applied Laser，2018，38（4）：694-700.

[7] 康誠，李文輝，王朝暉，等.LED色溫對隧道暗適應過程視覺功效的影響[J].華南理工大學學報（自然科學版），2021，49（4）：117-123.

KANG Cheng，LI Wenhui，WANG Zhaohui，et al.Influence of LED color temperature on visual performance during the process of dark adaptation in tunnels[J].Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition），2021，49（4）：117-123.

[8] 林嘉源，鄒念育，梁靜，等.LED光源照度與色溫對佩伯爾幻象展陳效果的作用趨勢[J].中國光學：中英文，2023，16（2）：339-347.

LIN Jiayuan，ZOU Nianyu，LIANG Jing，et al.Trend of action on the display effect based on pepper′s ghost images affected by illumination and color temperature from led light sources[J].Chinese Optics，2023，16（2）：339-347.

[9] WANG S F，KUNG C M，YEH Y C，et al.Ultra-Low percentage flicker high-efficiency direct AC LED driver using constant power technology[J].IEEE Access，2023，11：97400-97407.

[10]梁國壯，田涵雷，徐曉玉.基于可變電感的諧振式多路均流LED驅動器[J].河北科技大學學報，2017，38（6）：570-577.

LIANG Guozhuang，TIAN Hanlei，XU Xiaoyu.A resonant multi-channel sharing current LED driver based on variable inductor[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2017，38（6）：570-577.

[11]楊貴洋，馬國鷺，曾國英.基于色溫可調的LED汽車大燈驅動電路設計[J].電氣應用，2018，37（19）：78-81.

[12]PAL N，F(xiàn)ISH A，MCINTYRE W，et al.A 91.15% efficient 2.3—5-V input 10—35-V output hybrid boost converter for LED-driver applications[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2021，56（11）：3499-3510.

[13]蕭展?jié)志S明，張亮亮，等.分布式組合Buck LED驅動電路及其定紋波控制策略[J].電機與控制學報，2023，27（1）：88-100.

XIAO Zhantao，LIN Weiming，ZHANG Liangliang，et al.Distributed combined Buck-LED driver and its fixed-ripple control strategy[J].Electric Machines and Control，2023，27（1）：88-100.

[14]SONG J，KIM M，PARK H，et al.A 96.3%-efficiency wide-voltage-range three-level boost converter with loop-free self-balancing and dead-zone PWM control for backlight LED drivers[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2024，39（6）：7064-7075.

[15]劉光清，林維明，陳欣瑋.一種無橋高增益單級LED驅動電路及其混合控制策略[J].電機與控制學報，2024，28（1）：105-119.

LIU Guangqing，LIN Weiming，CHEN Xinwei.A bridgeless high gain single-stage LED driver and its hybrid control strategy[J].Electric Machines and Control，2024，28（1）：105-119.

[16]RIBAS J，QUINTANA P J，CALLEJA A J，et al.Low-cost LED driver based on a low-dropout current regulator combined with a quasi-resonant buck preregulator[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2023，38（11）：14126-14136.