汽車前燈需要降壓-升壓型 LED 驅(qū)動器

可是現(xiàn)在，從純電動型 (EV) 到高效率內(nèi)燃傳動系統(tǒng)，再到大量組合式傳動系統(tǒng) (常稱為混合動力傳動系統(tǒng))，我們有了多種汽車動力傳動系統(tǒng)。所有這些設(shè)計都有一個共同的目標(biāo)，即提高燃油效率，同時減少碳排放量。新型動力總成設(shè)計包括直接燃料噴射、渦輪增壓、引擎停止/啟動系統(tǒng)、再生制動、乙醇含量較高的燃料以及較清潔的柴油燃燒。隨著混合動力型汽車的開發(fā)，汽車變得更加依賴較清潔的電力來源了。盡管取得了如此大的進(jìn)步，但是汽車設(shè)計有一方面相對地穩(wěn)定，那就是為了在夜間或在天氣條件不夠完美的情況下行車，需要提供前向照明。此外，產(chǎn)生所需光照的方法也從采用鹵素?zé)艮D(zhuǎn)變?yōu)椴捎酶邚?qiáng)度放電 (HID) 燈，最近又在向基于高亮度 (HB) LED 的設(shè)計轉(zhuǎn)變，從而為高亮度 LED 開拓了一條增長之路。

今年，高亮度 LED 的市場規(guī)模預(yù)計將達(dá)到 120 億美元，到 2015 年，這一數(shù)字將增長到 202 億美元。年復(fù)合增長率為 30.6% (數(shù)據(jù)來源：Strategies Unlimited)。驅(qū)動這種顯著增長的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一是 LED 應(yīng)用于汽車設(shè)計。汽車應(yīng)用包括前燈、白天行車燈和剎車燈以及儀表板顯示器背光照明和所有車內(nèi)梳妝照明燈。不過，為了保持如此顯著的增長率，LED 必須提供更高的可靠性、更低的功耗和更緊湊的外形尺寸，而且還必須能實現(xiàn)創(chuàng)新性設(shè)計，例如可操控的汽車前照燈和防眩目調(diào)光。此外，在汽車環(huán)境中，所有這些改進(jìn)都必須進(jìn)行優(yōu)化，同時還要承受相對嚴(yán)酷的汽車電氣及物理環(huán)境的考驗。不言而喻，這些解決方案必須提供非常扁平的外形和緊湊的占板面積，同時提高總體成本效益。

盡管 LED 用于白天行車燈、剎車燈、轉(zhuǎn)向信號燈和內(nèi)部照明已經(jīng)好幾年了，但是特定于前燈的應(yīng)用仍然相對較少。目前，只有少數(shù)投產(chǎn)車型提供 LED 前燈，其中包括奧迪 (Audi) A8和 R8、雷克薩斯 (Lexus) LS600h 和 RX450h、豐田普銳斯 (Toyota Prius) 和凱迪拉克凱雷德 (Cadillac Escalade)。有人估計，2011 年 LED 前燈市場大約為 10 億美元，2014 年預(yù)計將超過 20 億美元。

汽車照明系統(tǒng)設(shè)計師面臨的最大挑戰(zhàn)之一是，如何最大限度地發(fā)揮最新一代高亮度 LED 的所有優(yōu)勢。因為高亮度 LED 一般需要準(zhǔn)確、高效率的 DC 電流源，還需要調(diào)光，所以 LED 驅(qū)動器 IC 必須設(shè)計成能在多種條件下滿足這些要求。結(jié)果，電源解決方案必須是高效率、功能堅固和非?？煽浚瑫r還要非常緊湊并具有高成本效益?？梢哉f，就驅(qū)動高亮度 LED 而言，要求最苛刻的應(yīng)用之一是汽車前燈應(yīng)用，因為這類應(yīng)用要經(jīng)受苛刻的汽車電氣環(huán)境的考驗，必須提供大功率，一般在 50W 至 75W 之間，還必須能裝進(jìn)空間非常受限的外殼中，同時在滿足所有這些要求的情況下，還要保持有吸引力的成本結(jié)構(gòu)。

高亮度 LED 前燈有眾多優(yōu)勢，例如尺寸小、壽命極長、功耗低以及增強(qiáng)了調(diào)光功能，這些優(yōu)勢成為高亮度 LED 前燈得到廣泛采用的催化劑。一些汽車制造商，包括奧迪、奔馳以及最近加入的雷克薩斯，都已經(jīng)用 LED 設(shè)計了與眾不同的行車燈，這些燈圍繞在前燈周圍，如果把前燈比作眼睛，那么這些行車燈就像眉毛一樣，制造商這么做是為了突出品牌特色，讓人們還沒看清車是什么樣子的時候，就知道開過來的是哪個品牌的車。從設(shè)計的角度來說，這些應(yīng)用獨具特色，而且與近光和遠(yuǎn)光前燈相比，這些應(yīng)用面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)也不同。

我們都知道，前燈的主要功能是，在夜間或天氣條件不夠理想的情況下 (例如在雨、雪和霧天) 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。上世紀(jì) 80 年代，鹵素?zé)羰菢I(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，這類燈憑 50W 的電功率可提供大約 1500 流明的光輸出，與其前幾代產(chǎn)品相比，光輸出提高了 50%。這一光輸出轉(zhuǎn)換成功效 (每瓦光輸出) 就是每瓦 30 流明 (即 30lm/W)。上世界 90 年代中期，高強(qiáng)度放電 (HID) 氙燈成為主流，因為這類燈能提供高達(dá) 80 lm/W 的光輸出，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，例如：為了不造成迎面而來的車輛看不清路況，需要準(zhǔn)確調(diào)節(jié)；工作壽命相對較短，為 2000 小時；使用有毒的水銀蒸氣；制造費用很高。隨著高亮度 LED 的功效持續(xù)提高，這類 LED 已經(jīng)成為前燈應(yīng)用更希望使用的產(chǎn)品。5 年前，已用在汽車中的高亮度 LED 提供 50lm/W 功效，這還不足以用于前燈應(yīng)用，然而現(xiàn)在的 LED 設(shè)計提供 100lm/W 功效，而且估計用不了幾年，就將超過 150lm/W 的功效，從而超過甚至最好的高強(qiáng)度放電燈。LED 能提供大約同樣的每瓦光輸出量，而且還具有其他益處，例如長壽命、堅固性和環(huán)保設(shè)計，這些都使得用 LED 構(gòu)成新一代前燈非常有吸引力。

在汽車前燈中使用 LED 有幾項積極意義。首先，這些 LED 燈永遠(yuǎn)不需要更換，因為它們的可靠壽命長達(dá) 10 萬小時以上 (相當(dāng)于 11 年半的使用年限)，這超過了汽車的壽命。因此汽車制造商可以將 LED 永久性地嵌入到前燈設(shè)計中，而無需為更換留出余地。這還使汽車款式能得到極大的改變，因為 LED 照明系統(tǒng)不需要高強(qiáng)度放電燈或鹵素?zé)裟敲创蟮纳疃然蛎娣e。在靠輸入電功率提供光輸出 (以流明量度) 方面，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)。這會產(chǎn)生兩種積極影響。首先，LED 燈從汽車總線吸取更少的電功率，在電動汽車和混合動力汽車中，這一點尤其重要。同樣重要的是，LED 燈降低了需要在照明系統(tǒng)中散出的熱量，從而無需笨重、昂貴的散熱器。最后，通過使用高亮度 LED 陣列以及對 LED 陣列進(jìn)行電子控制或調(diào)光，LED 前燈可以非常容易地設(shè)計成可為很多不同的行車條件優(yōu)化照明。

為了確保最佳性能和較長的工作壽命，LED 需要有效的驅(qū)動電路。不管輸入電壓源的變化范圍有多寬，這些驅(qū)動器 IC 都必須提供準(zhǔn)確、高效率的 DC 電流源和準(zhǔn)確的 LED 電壓調(diào)節(jié)。其次，驅(qū)動器 IC 必須提供調(diào)光方法和多種保護(hù)功能，以防遇到 LED 開路或短路故障。除了能靠電氣環(huán)境非?？量痰钠囯娫纯偩€可靠工作，驅(qū)動器 IC 還必須具有高成本效益并有效利用空間。

為了最大限度地提高燃油里程，同時盡量降低碳排放量，可選擇的動力驅(qū)動技術(shù)在不斷演變。無論這些新技術(shù)納入了混合電動、清潔柴油還是更傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計，它們都有可能采用停止-啟動電動機(jī)設(shè)計。這種設(shè)計在全世界幾乎所有的混合動力汽車中已十分普遍，停止-啟動電動機(jī)設(shè)計已經(jīng)普遍存在，很多歐洲和亞洲的汽車制造商也一直在將這種設(shè)計納入傳統(tǒng)的汽油和柴油車輛中。美國福特汽車公司已宣布，將在很多面向美國市場的 2012 車型中，采用停止-啟動系統(tǒng)。

就發(fā)動機(jī)而言，停止-啟動系統(tǒng)的概念很容易理解，當(dāng)車輛停止時，發(fā)動機(jī)關(guān)閉，然后在要求車輛再次開動時，發(fā)動機(jī)立即重新啟動。這樣一來，當(dāng)汽車在行駛中因交通情況或紅燈而暫停時，就不會消耗燃油，也不會排放碳。這種停止-啟動設(shè)計可將燃油消耗量和碳排放量降低 5% 至高達(dá) 10%。不過，此類設(shè)計所面臨的最大挑戰(zhàn)是：怎樣使整個起停狀況不為駕駛者所察覺。為避免駕駛者覺察汽車的起停能力，存在著兩大設(shè)計障礙。第一個是快速重啟時間。有些制造商利用增強(qiáng)的啟動器設(shè)計，將重啟時間降至不到 0.5 秒，從而使重啟真正感覺不到。第二個設(shè)計挑戰(zhàn)是，在發(fā)動機(jī)關(guān)閉時，保持所有電子系統(tǒng)直接由電池供電，包括空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)，而且同時仍然保持足夠的電池電量儲備，以在加速時快速重啟發(fā)動機(jī)。

為了納入停止-啟動功能，的確需要對動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行一些修改。過去的交流發(fā)電機(jī)也許還要用作增強(qiáng)的電動機(jī)起動器，以確保快速重啟，另外，必須增加一個停止-啟動電子控制單元 (ECU)，以控制發(fā)動機(jī)何時以及怎樣啟動和停止。當(dāng)發(fā)動機(jī) / 交流發(fā)電機(jī)關(guān)閉時，電池必須能給車輛的各種燈、環(huán)境控制系統(tǒng)以及其他電子系統(tǒng)供電。此外，當(dāng)再次需要發(fā)動機(jī)工作時，電池必須能給啟動器供電。這種極端的電池加載情況引入了另一個設(shè)計挑戰(zhàn)，這一次是電氣方面的挑戰(zhàn)，因為重啟發(fā)動機(jī)需要大量吸取電流，這又可能使電池電壓暫時被拉低至 5V。對 LED 驅(qū)動器的挑戰(zhàn)是，當(dāng)電池總線電壓短暫下降至 5V、然后返回標(biāo)稱的 13.8V (這時充電器返回穩(wěn)定狀態(tài)) 時，持續(xù)提供良好穩(wěn)定的輸出電壓和 LED 電流。

當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)處于寒冷或冰凍溫度一段時間后，會發(fā)生“冷車發(fā)動”情況。在這種情況下，機(jī)油變得極度黏滯，需要發(fā)動機(jī)啟動器提供更大的扭矩，這又導(dǎo)致從電池吸取更大的電流。這么大的負(fù)載電流可能在點火時將電池 / 主總線電壓拉低至不到 5V，之后該電壓一般返回到標(biāo)稱的 13.8V。就發(fā)動機(jī)控制、行車安全和導(dǎo)航系統(tǒng)等應(yīng)用而言，在發(fā)生冷車發(fā)動情況時，保持良好穩(wěn)定的輸出電壓 (通常為 5V) 是非常重要的，這樣才能在車輛啟動時，持續(xù)保持電源系統(tǒng)工作。

如果電池電纜在交流發(fā)電機(jī)仍然在對電池進(jìn)行充電時意外斷接，則將發(fā)生“負(fù)載突降”的情況。當(dāng)電池電纜在汽車工作時出現(xiàn)松動、或者電池電纜在汽車行駛時出現(xiàn)斷裂，這種情況就有可能發(fā)生。電池電纜的這種突然斷接有可能導(dǎo)致高達(dá) 60V 的瞬態(tài)電壓尖峰，因為交流發(fā)電機(jī)試圖給不存在的電池完全充電。交流發(fā)電機(jī)上的瞬態(tài)電壓抑制器通常將總線電壓箝位在 30V 至 34V 之間，并吸收大部分浪涌電流；但是，交流發(fā)電機(jī)下游的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和 LED 驅(qū)動器要承受高達(dá) 36V 的瞬態(tài)電壓尖峰。在這類瞬態(tài)事件發(fā)生時，要求這些 LED 驅(qū)動器不僅不被損壞，還必須持續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓和 LED 電流。

幸運的是，對這些難題已經(jīng)有了新的解決辦法，那就是凌力爾特的 LT3791 LED 驅(qū)動器。LT3791 是一款同步降壓-升壓型 DC/DC LED 驅(qū)動器和電壓控制器，可提供超過 100W 的 LED 功率。其 4.7V 至 60V 的輸入電壓范圍使該器件非常適用于多種應(yīng)用，其中包括汽車、卡車甚至航空電子的高亮度 LED 前燈。類似地，其輸出電壓可以在 0V 至 60V 的范圍內(nèi)設(shè)定，從而能驅(qū)動多種單串 LED。

典型的 50W 前燈應(yīng)用如圖 2 所示。這個應(yīng)用運用單個電感器，以在 2A 時準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)一個 25V 的 LED 串，并提供 50W LED 功率。該電路可提供一個 50:1 的 PWM 調(diào)光比，非常適合于滿足防眩目自動調(diào)光要求。對輸入和輸出 (LED) 電流均進(jìn)行了監(jiān)視，同時提供了故障保護(hù)功能，以安然承受并報告 LED 開路或短路情況。

其內(nèi)部的 4 個降壓-升壓型開關(guān)控制器在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓時工作，從而非常適用于汽車等應(yīng)用，在這類應(yīng)用中，輸入電壓在啟動 / 停止、冷車發(fā)動和負(fù)載突降情況下可能變化很大。在降壓、直通和升壓工作模式之間的轉(zhuǎn)換是無縫的，從而不管電源電壓的變化范圍有多寬，都能提供良好的穩(wěn)壓輸出。LT3791 的獨特設(shè)計采用了 3 個控制環(huán)路，以監(jiān)視輸入電流、LED 電流和輸出電壓，并提供最佳性能和可靠性。

LT3791 運用 4 個外部開關(guān) MOSFET，可連續(xù)提供從 50W 直至超過 100W 的 LED 功率，效率高達(dá) 98%，如圖 3 所示。在以傳統(tǒng)方式供電的車輛中，高效率是非常重要，因為可最大限度降低對散熱器的需求，從而實現(xiàn)占板面積非常緊湊的扁平解決方案。而在電動汽車 (EV) 中，這種功率節(jié)省可在充電之間增加車輛運行的里程數(shù)，這是非常寶貴的。

±6% 的 LED 電流準(zhǔn)確度確保 LED 串提供恒定照明，同時 ±2% 的輸出電壓準(zhǔn)確度可提供幾種 LED 保護(hù)功能，并使轉(zhuǎn)換器能作為恒定電壓源工作。LT3791 可按照應(yīng)用要求，采用模擬或 PWM 調(diào)光方法。此外，其開關(guān)頻率可在 200 kHz 至 700 kHz 范圍內(nèi)設(shè)定，或同步至一個外部時鐘。其他特點包括輸出斷接、輸入和輸出電流監(jiān)視器以及集成的故障保護(hù)。

對更高性能和更高成本效益永無止境的需求驅(qū)動了高亮度 LED 應(yīng)用，尤其是對汽車前燈應(yīng)用的持續(xù)加速增長。這些需求必須由新型高亮度 LED 驅(qū)動器 IC 來滿足。新型 LED 驅(qū)動器必須提供恒定電流，無論輸入電壓或 LED 正向電壓如何變化，都可保持均勻的亮度，并以高效率工作，而且提供非常寬的調(diào)光范圍和各種保護(hù)功能，進(jìn)而提高系統(tǒng)可靠性。當(dāng)然，這些 LED 驅(qū)動器電路還必須能構(gòu)成占板面積非常緊湊、扁平和熱效率非常高的解決方案。幸運的是，凌力爾特不斷重新定義其 LED 驅(qū)動器系列，以利用 LT3791 這類高亮度 LED 驅(qū)動器 IC 迎頭戰(zhàn)勝這些挑戰(zhàn)。此外，凌力爾特已經(jīng)開發(fā)出了一個完整的大電流 LED 驅(qū)動器 IC 系列，該系列專門針對汽車應(yīng)用，適用于從先進(jìn)的前向照明前燈到 LCD 背光照明的各種應(yīng)用。汽車照明系統(tǒng)持續(xù)需要更高性能的 LED 驅(qū)動器，現(xiàn)在，設(shè)計師有了創(chuàng)新的 IC 解決方案來滿足這種需求了。