汽車LED照明驅(qū)動設(shè)計的挑戰(zhàn)和解決之道

【導讀】汽車環(huán)境為LED帶來了巨大的挑戰(zhàn)，LED必須能提供穩(wěn)定的光輸出，即使大燈周圍的電氣條件和散熱條件不斷變化，燈光的通量和色點也必須保持恒定。本文提出一種完全集成、靈活的汽車LED驅(qū)動設(shè)計，不但能滿足汽車外部照明應(yīng)用的各種要求，同時還能克服現(xiàn)有電子器件設(shè)計存在的諸多不足…

LED燈在這些汽車前部照明應(yīng)用中得到日益廣泛的使用，其主要原因在于：相對于常規(guī)白熾燈或高亮度放電(HID)燈，LED燈在款式和設(shè)計方面具有獨到的優(yōu)勢，近期則更是得益于低功耗這一特性。但是，同樣重要的是隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)可以提供更高的功率水平和更寬的色域。目前，在汽車前部照明應(yīng)用中，LED燈的性能已不亞于白熾燈。

本文旨在探討LED照明系統(tǒng)中的這一重要元件，指出在開發(fā)LED外燈驅(qū)動電子架構(gòu)時需要考慮的因素。文章將說明在汽車外部照明應(yīng)用中使用 LED燈的原因(如使用壽命長、功耗低)，同時討論在這些應(yīng)用中引入LED燈所面臨的挑戰(zhàn)，其中包括行業(yè)要求(AEC-Q100)和功能要求。

在此基礎(chǔ)上，我們將深入研究這些應(yīng)用要求對電子器件的影響，以便充分挖掘LED燈的巨大潛力。我們將提出一種通用型LED照明系統(tǒng)架構(gòu)，同時列出電子控制裝置所要求的特性。這些特性包括LED散熱管理、靈活地驅(qū)動不同LED配置以及具有成本優(yōu)勢的系統(tǒng)設(shè)計等。

LED在汽車應(yīng)用領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)

汽車環(huán)境為LED帶來了巨大的挑戰(zhàn)，LED必須能提供穩(wěn)定的光輸出，即使大燈周圍的電氣條件和散熱條件不斷變化，燈光的通量和色點也必須保持恒定。

由于LED的光輸出與應(yīng)用于LED的電流成比例，同時，LED采用的是擴散式生產(chǎn)工藝，因此即使是同一批次的產(chǎn)品，也可能在驅(qū)動電流相同的情況下，其光輸出存在差異。為了避免這種不利差異，往往根據(jù)某些參數(shù)(如正向電壓、通量輸出)來選擇LED(也稱篩選)。通過篩選，可以確保同一批次的 LED在光輸出和色點方面更加一致。

LED還必須保證在-40℃至+125℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，光輸出達到具體應(yīng)用的最低法定光通量要求。頭燈的光通量需要達到1,000流明左右，并能在工作溫度范圍內(nèi)提供要求的最低光輸出。

為了達到這種光通量要求，可能要將數(shù)個LED串聯(lián)或并聯(lián)起來。將多個高亮度LED燈集合到一起同時對散熱管理提出了很高的要求，因為隨著LED溫度的升高，LED的光輸出會大幅下降，色點會發(fā)生偏移。因此，LED在產(chǎn)生這種量級的光的過程中散發(fā)的熱量必須通過散熱器傳導出去。在一些極端情況下，可能需要降低LED的驅(qū)動電流，以避免LED過熱和損毀。

汽車工業(yè)對LED的可靠性同樣提出了嚴格的要求。LED解決方案必須能夠達到AEC-Q100標準的嚴格要求。這就意味著，LED及驅(qū)動器電子器件必須通過該標準的認證。

此外，汽車制造商以及一級照明產(chǎn)品供應(yīng)商提出了其他的功能要求，比如利用LED來提供雙重功能，舉例來說，日間行駛燈有時充當停車燈，尾燈有時用作停止燈。這就意味著，LED提供的光必須具有兩個可以控制的輸出水平。為了避免不同電流水平下的色點偏移，多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計通過對LED電流進行一種脈沖寬度調(diào)制(PWM)處理，以減少LED的平均電流，同時還能使峰值電流維持恒定。這樣在相同的色點下，可以實現(xiàn)較低的光輸出水平。 下一節(jié)將介紹在汽車應(yīng)用中為什么在汽車照明中采用LED?

為什么在汽車照明中采用LED?

對于汽車制造商來說，款式上的優(yōu)勢仍然是使用LED燈的主要原因之一。顯然，汽車制造商看到了進一步鞏固其汽車品牌的機會。已有多種照明設(shè)計從 LED燈提供的更大設(shè)計自由度中受益。較為著名的早期案例包括奧迪A8/A6。

不過，關(guān)注點正在向LED燈對汽車照明應(yīng)用帶來的其他優(yōu)勢上轉(zhuǎn)移。其中包括更低的功耗、更長的使用壽命和更快的啟動時間。

密歇根大學運輸研究學院(UMTRI)在2008年發(fā)布了一份報告，評估了常規(guī)白熾燈和LED解決方案在白天行駛照明功能的能耗水平。他們發(fā)現(xiàn)，對于等效功能，LED解決方案的能耗水平要低50%(23W對46W)。這種節(jié)省可以直接轉(zhuǎn)換成燃油效率，同時還能使客車的二氧化碳排放量減少50%。

對于準備開發(fā)全電動汽車的汽車制造商來說，這種燃油效率十分重要。而對于消費者來說，一個重要的購買標準是電動汽車在充滿電的情況下能行駛的距離。為此，汽車制造商們正在尋找適當?shù)姆绞剑愿纳聘鞣N功能的能耗水平，從而提高汽車的續(xù)航能力。LED燈顯然具有極大的節(jié)能優(yōu)勢，因而日益成為照明設(shè)計工程師們的自然選擇。

另一個對LED效率的提升以及LED在汽車照明應(yīng)用領(lǐng)域的滲透做出了不可磨滅的貢獻的重要因素是LED的照明效率，即每瓦特的流明(lm/W)。該指標衡量的是LED燈每消耗一瓦特能量所產(chǎn)生的光輸出量。該值越高，LED將輸入功率轉(zhuǎn)換為光輸出的效率就越高。如今的高亮度LED燈能實現(xiàn) 100-150lm/W的照明效率，而一只60W白熾燈僅為10-18lm/W。

這項指標的改進極大地擴大了LED燈的應(yīng)用范圍，并拓展到完全以LED燈為基礎(chǔ)的汽車前部照明系統(tǒng)之中。尤其是完全以LED為基礎(chǔ)的大燈，其中包括遠光和近光調(diào)整等功能。

LED對電子系統(tǒng)架構(gòu)的影響

實際上，LED的諸多功能和優(yōu)勢取決于用于驅(qū)動它們的電子器件。電子驅(qū)動器解決方案會對LED以及整個系統(tǒng)的效率和性能產(chǎn)生巨大影響。

圖1所示為一種針對外部LED燈的通用型LED照明系統(tǒng)架構(gòu)。圖中顯示了用于驅(qū)動LED的一種通用照明控制模塊(LCM)的主要組件。雖然有些架構(gòu)的LED與驅(qū)動器電子器件位于同一模塊上，但本方案的LED設(shè)于驅(qū)動器控制模塊的一個獨立LED模塊上。

圖1：一種通用型汽車LED照明系統(tǒng)架構(gòu)

如前所述，面向車外前部照明應(yīng)用的LED 一般需要采用某種形式的散熱管理。為此，本方案在LED附近設(shè)有一個溫度傳感器。該傳感器通過LCM來監(jiān)控，如果LED溫度升高，控制模塊將減少進入 LED的電流，從而避免LED過熱，防止其發(fā)生故障。

為了識別LED的批次，通常要采用一個篩選電阻或編碼電阻。通過測量該電阻的值，LCM可以確定應(yīng)向LED提供的確切電流量，以確保達到具體功能的光輸出要求。