汽車LED照明驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)和解決之道

【導(dǎo)讀】汽車環(huán)境為LED帶來(lái)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(diǎn)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(dòng)設(shè)計(jì)，不但能滿足汽車外部照明應(yīng)用的各種要求，同時(shí)還能克服現(xiàn)有電子器件設(shè)計(jì)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(duì)于常規(guī)白熾燈或高亮度放電(HID)燈，LED燈在款式和設(shè)計(jì)方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，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(kāi)發(fā)LED外燈驅(qū)動(dòng)電子架構(gòu)時(shí)需要考慮的因素。文章將說(shuō)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(zhǎng)、功耗低)，同時(shí)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(duì)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(shí)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(dòng)不同LED配置以及具有成本優(yōu)勢(shì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

LED在汽車應(yīng)用領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)

汽車環(huán)境為L(zhǎng)ED帶來(lái)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(diǎn)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(shí)，LED采用的是擴(kuò)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(dòng)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(lái)選擇LED(也稱篩選)。通過(guò)篩選，可以確保同一批次的 LED在光輸出和色點(diǎn)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(dá)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(dá)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(dá)到這種光通量要求，可能要將數(shù)個(gè)LED串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)。將多個(gè)高亮度LED燈集合到一起同時(shí)對(duì)散熱管理提出了很高的要求，因?yàn)殡S著LED溫度的升高，LED的光輸出會(huì)大幅下降，色點(diǎn)會(huì)發(fā)生偏移。因此，LED在產(chǎn)生這種量級(jí)的光的過(guò)程中散發(fā)的熱量必須通過(guò)散熱器傳導(dǎo)出去。在一些極端情況下，可能需要降低LED的驅(qū)動(dòng)電流，以避免LED過(guò)熱和損毀。

汽車工業(yè)對(duì)LED的可靠性同樣提出了嚴(yán)格的要求。LED解決方案必須能夠達(dá)到AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求。這就意味著，LED及驅(qū)動(dòng)器電子器件必須通過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。

此外，汽車制造商以及一級(jí)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(lái)提供雙重功能，舉例來(lái)說(shuō)，日間行駛燈有時(shí)充當(dāng)停車燈，尾燈有時(shí)用作停止燈。這就意味著，LED提供的光必須具有兩個(gè)可以控制的輸出水平。為了避免不同電流水平下的色點(diǎn)偏移，多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)LED電流進(jìn)行一種脈沖寬度調(diào)制(PWM)處理，以減少LED的平均電流，同時(shí)還能使峰值電流維持恒定。這樣在相同的色點(diǎn)下，可以實(shí)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(duì)于汽車制造商來(lái)說(shuō)，款式上的優(yōu)勢(shì)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(jìn)一步鞏固其汽車品牌的機(jī)會(huì)。已有多種照明設(shè)計(jì)從 LED燈提供的更大設(shè)計(jì)自由度中受益。較為著名的早期案例包括奧迪A8/A6。

不過(guò)，關(guān)注點(diǎn)正在向LED燈對(duì)汽車照明應(yīng)用帶來(lái)的其他優(yōu)勢(shì)上轉(zhuǎn)移。其中包括更低的功耗、更長(zhǎng)的使用壽命和更快的啟動(dòng)時(shí)間。

密歇根大學(xué)運(yùn)輸研究學(xué)院(UMTRI)在2008年發(fā)布了一份報(bào)告，評(píng)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(duì)于等效功能，LED解決方案的能耗水平要低50%(23W對(duì)46W)。這種節(jié)省可以直接轉(zhuǎn)換成燃油效率，同時(shí)還能使客車的二氧化碳排放量減少50%。

對(duì)于準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)全電動(dòng)汽車的汽車制造商來(lái)說(shuō)，這種燃油效率十分重要。而對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，一個(gè)重要的購(gòu)買標(biāo)準(zhǔn)是電動(dòng)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(dāng)?shù)姆绞?，以改善各種功能的能耗水平，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(shì)，因而日益成為照明設(shè)計(jì)工程師們的自然選擇。

另一個(gè)對(duì)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(xiàn)的重要因素是LED的照明效率，即每瓦特的流明(lm/W)。該指標(biāo)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(shí)現(xiàn) 100-150lm/W的照明效率，而一只60W白熾燈僅為10-18lm/W。

這項(xiàng)指標(biāo)的改進(jìn)極大地?cái)U(kuò)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(yuǎn)光和近光調(diào)整等功能。

LED對(duì)電子系統(tǒng)架構(gòu)的影響

實(shí)際上，LED的諸多功能和優(yōu)勢(shì)取決于用于驅(qū)動(dòng)它們的電子器件。電子驅(qū)動(dòng)器解決方案會(huì)對(duì)LED以及整個(gè)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(duì)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(dòng)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(dòng)器電子器件位于同一模塊上，但本方案的LED設(shè)于驅(qū)動(dòng)器控制模塊的一個(gè)獨(dú)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(gè)溫度傳感器。該傳感器通過(guò)LCM來(lái)監(jiān)控，如果LED溫度升高，控制模塊將減少進(jìn)入 LED的電流，從而避免LED過(guò)熱，防止其發(fā)生故障。

為了識(shí)別LED的批次，通常要采用一個(gè)篩選電阻或編碼電阻。通過(guò)測(cè)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(dá)到具體功能的光輸出要求。