汽車前向照明應(yīng)用需要高性能 LED 驅(qū)動器

　　背景

　　2012 年，高亮度 (HB) LED 的市場規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到 120 億美元，到 2015 年，該市場將增長至 202 億美元，年復(fù)合增長率達(dá)到 30.6% (數(shù)據(jù)來源：Strategies Unlimited公司)。促使 LED 這種顯著增長的關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域之一是 LED 在汽車設(shè)計(jì)中的使用。LED 在汽車中的應(yīng)用范圍包括前燈、白天行車燈、剎車燈和轉(zhuǎn)向信號燈，儀表板顯示及背光照明，還有所有種類的車內(nèi)照明燈。由于客戶都有風(fēng)格偏好和安全需求，幾乎所有新車型都提供 LED 白天行車燈 (DRL)。本田雅閣的大多數(shù) 2013 車型都采用了 LED 白天行車燈，并在旅行車型和混合動力車型中提供了 LED 前燈 (參見圖 1)。為了保持這種令人驚嘆的增長率，LED 不僅必須提供更強(qiáng)的可靠性、更低的功耗和更緊湊的外形尺寸，而且還必須實(shí)現(xiàn)可轉(zhuǎn)向前燈、防眩調(diào)光等創(chuàng)新設(shè)計(jì)。此外，在汽車環(huán)境中，LED 所有這些改進(jìn)都必須優(yōu)化，同時還要承受條件相對苛刻的汽車電氣和物理環(huán)境。不言而喻，這些解決方案還必須提供非常扁平、緊湊的占板面積，同時提高總體性價比。

　　盡管幾年來，LED 已經(jīng)用在白天行車燈、剎車燈、轉(zhuǎn)向信號燈和內(nèi)部照明中，但是特定于前燈的應(yīng)用還相對較新。目前，僅有少數(shù)量產(chǎn)車提供了 LED 前燈，其中包括本田雅閣、奧迪A8 和 R8、雷克薩斯 LS600h 和 RX450h、豐田普瑞斯、凱迪拉克凱雷德以及保時捷卡宴。有些業(yè)界估計(jì)數(shù)據(jù)表明，2012 年 LED 前燈市場大約為 10 億美元，預(yù)計(jì)到 2014 年，該市場將超過 20 億美元，并繼續(xù)以指數(shù)級增長。

　　汽車照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師最大的挑戰(zhàn)之一是：怎樣優(yōu)化最新一代高亮度 LED 的所有優(yōu)勢。高亮度 LED 需要一個準(zhǔn)確、高效率的 DC 電流源，要有調(diào)光方法，而且必須提供各種保護(hù)功能。此外，這些 LED 的驅(qū)動器 IC 必須設(shè)計(jì)為能在多種多樣的條件下滿足上述要求。因此，電源解決方案必須效率非常高、提供堅(jiān)固的功能和可靠性，同時又是非常緊湊和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的?？梢哉f，就驅(qū)動高亮度 LED 而言，要求最苛刻的應(yīng)用就是汽車前燈照明應(yīng)用，包括白天行車燈和前燈，因?yàn)檫@類應(yīng)用所處的是嚴(yán)酷的汽車電氣環(huán)境，必須提供大功率，一般在 15W 至 75W 之間，還必須放入空間非常有限的外殼中，在達(dá)到所有這一切要求的同時，還要保持富有吸引力的成本結(jié)構(gòu)?！　?/p>

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　　LED 白天行車燈和前燈

　　尺寸小、壽命極長、低功耗、更強(qiáng)的調(diào)光能力等優(yōu)勢，是高亮度 LED 白天行車燈和前燈得到廣泛采用的催化劑。幾家汽車制造商 (例如奧迪和梅塞德斯奔馳、以及雷克薩斯和豐田) 都用 LED 設(shè)計(jì)了非常獨(dú)特的白天行車燈，讓這些白天行車燈成為前燈的“眉毛”或“底線”，以此彰顯品牌的獨(dú)有魅力。這些應(yīng)用不僅從設(shè)計(jì)角度來看非常獨(dú)特，而且在提供可靠、具成本效益的解決方案時也有一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。隨著高亮度 LED 逐步用在近光和遠(yuǎn)光前燈中，這些挑戰(zhàn)也變得愈加顯著了。

　　大家熟知的是，前燈的主要功能是在夜間或者在不太理想的天氣情況下 (例如雨天、雪天和霧天) 提供前向照明。需要更高的照明度一直是前燈發(fā)展的主要驅(qū)動力。在上世紀(jì) 80 年代，鹵素?zé)舫蔀闃I(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，憑借 50W 的電功率，這類燈能提供大約 1500 流明的光，這比其之前的鎢絲燈發(fā)光量提高了 50%。這樣的發(fā)光量轉(zhuǎn)換成功效 (即大家熟知的每瓦光輸出) 或每瓦提供的光，就是每瓦 30 流明 (30lm/W)。在上世紀(jì) 90 年代，高強(qiáng)度放電 (HID) 氙燈成為主流，因?yàn)檫@類燈能提供 80lm/W，從而使制造商能提供更大的總體光輸出。不過，氙燈也有缺點(diǎn)，例如：需要準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)，以避免使對面的車輛看不清道路;工作壽命相對短，僅為 2000 小時;使用有毒的水銀氣體和制造費(fèi)用昂貴。隨著高亮度 LED 燈的功效持續(xù)提高，這類燈已經(jīng)變得更加理想地適用于前燈應(yīng)用了。5 年前，量產(chǎn)高亮度 LED 燈提供 50lm/W 的功效，這還不足以用于前燈應(yīng)用，不過，目前的 LED 設(shè)計(jì)可提供 100lm/W 光輸出，而且估計(jì)在接下來的幾年內(nèi)，光輸出將超過 150lm/W，這甚至超過了最好的高強(qiáng)度放電燈。LED 能提供大致相同的每瓦光輸出量，而且還有其他一些優(yōu)點(diǎn)，包括長壽命、堅(jiān)固性和環(huán)保設(shè)計(jì)，因此用 LED 構(gòu)成新一代前燈變得尤其有吸引力了。

　　用 LED 構(gòu)成汽車前燈和白天行車燈有很多優(yōu)勢，產(chǎn)生了幾種積極影響。首先，LED 燈從不需要更換，因?yàn)樗鼈兊目煽繅勖L達(dá) 10 萬小時以上 (使用年限為 11.5 年)，超過了車輛的壽命。這就允許汽車制造商將 LED 燈永久性地嵌入到車身中，而無需為進(jìn)行更換留出操作余地。LED 燈還有助于極大地改變車輛款式，因?yàn)?LED 照明系統(tǒng)不需要高強(qiáng)度放電燈或鹵素?zé)羲璧纳疃然蛎娣e。從輸入電功率提供光輸出 (以流明為單位) 時，高亮度 LED 燈還比鹵素?zé)舻男矢?(而且不久就將超過高強(qiáng)度放電燈)。這有兩種積極影響。首先，可以耗費(fèi)更少的汽車總線電功率，這在電動型汽車和混合動力型汽車中尤其重要，同樣重要的是，效率高還可以減少需要在外殼中散出的熱量，從而無需任何笨重、昂貴的散熱器。最后，通過在前燈陣列中使用高亮度 LED 陣列，并以電子方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向以及調(diào)光，可以很容易地設(shè)計(jì) LED 陣列，并為很多不同的驅(qū)動情況而優(yōu)化照明。

　　設(shè)計(jì)參數(shù)

　　為了確保最佳性能和長工作壽命，LED 需要一種有效的驅(qū)動電路。這意味著，無論輸入電壓源怎樣變化，驅(qū)動器 IC 都必須高效率地提供準(zhǔn)確的 DC 電流并提供準(zhǔn)確的 LED 電壓調(diào)節(jié)。其次，驅(qū)動器 IC 必須提供一種調(diào)光方法，還要提供多種保護(hù)功能，以防遭遇 LED 開路或短路故障。除了依靠電氣環(huán)境十分惡劣的汽車電源總線可靠地工作，驅(qū)動器 IC 還必須經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，節(jié)省空間。

　　停/啟、冷車發(fā)動和負(fù)載突降情況

　　為了最大限度地提高燃油里程，同時盡量減少二氧化碳排放量，各種可選擇的驅(qū)動技術(shù)一直在不斷發(fā)展。不論這些新技術(shù)采用的是電動混合、清潔柴油還是更傳統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)，它們都有可能還需要采用停-啟馬達(dá)設(shè)計(jì)。在世界各地的所有混合動力型汽車設(shè)計(jì)中，停-啟馬達(dá)已經(jīng)普遍存在了，很多歐洲和亞洲的汽車制造商也已經(jīng)在傳統(tǒng)的汽油和柴油汽車中采用了這類停-啟設(shè)計(jì)。福特汽車公司不久前在美國宣布，將在即將推出面向美國國內(nèi)市場的車型中采用停-啟系統(tǒng)。

　　就發(fā)動機(jī)而言，停-啟系統(tǒng)的概念簡單易懂，當(dāng)車輛停止時，發(fā)動機(jī)關(guān)閉，然后當(dāng)要求車輛再次移動時，發(fā)動機(jī)立即重新啟動。在車輛停在車流中或停在紅燈處時，這可以節(jié)省燃油，減少尾氣排放。這種停-啟設(shè)計(jì)可以將燃油消耗和尾氣排放分別減少 5% 至 10%。然而，這種設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)是，不讓駕駛員感覺到整個停-啟過程。要想讓駕駛員感覺不到停-啟動作，會遇到兩個主要的設(shè)計(jì)障礙。第一個是快速重啟。有些制造商利用增強(qiáng)的啟動器設(shè)計(jì)，已經(jīng)將重啟時間縮短至不到 0.5s，從而使重啟過程真正不被感覺到。第二個設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是，當(dāng)發(fā)動機(jī)關(guān)閉時，保持車中所有電子系統(tǒng)正常運(yùn)行，包括由電池直接供電的空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng);同時保持足夠的電力儲備，以在要加速時快速重啟發(fā)動機(jī)。

　　為了納入停-啟功能，動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行一些修改。也就是說，原來的交流發(fā)電機(jī)可能還要兼作增強(qiáng)的發(fā)動機(jī)啟動器，以確?？焖僦貑?。此外，必須增加一個停-啟電子控制單元 (ECU)，以控制發(fā)動機(jī)何時以及怎樣啟動和停止。在發(fā)動機(jī) / 交流發(fā)電機(jī)關(guān)閉時，電池必須能給車燈、環(huán)境控制以及其他電子系統(tǒng)供電。另外，當(dāng)發(fā)動機(jī)需要再次啟動時，電池必須能給啟動器供電。這種極端的電池加載要求又引入了另一個設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，這是一個電氣方面的挑戰(zhàn)，因?yàn)橹貑l(fā)動機(jī)需要吸取很大的電流，這可能暫時將電池電壓拉低至 6V。對于 LED 驅(qū)動器的挑戰(zhàn)是，當(dāng)電池總線電壓短暫降至 6V、然后在充電器回到穩(wěn)定狀態(tài)時返回 13.8V 標(biāo)稱值時，連續(xù)提供良好穩(wěn)定的輸出電壓和 LED 電流。