背景
如今汽車的定義在不斷演變，變化之多遠勝以往。在過去100年里，采用內(nèi)燃動力傳動系統(tǒng)的汽車一直占據(jù)主導地位，主要由汽油提供動力，還有少量的柴油動力傳動系統(tǒng)。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)。所有這些設計都有一個共同的目標，即提高燃油效率，同時減少碳排放量。新型動力總成設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步，但是汽車設計有一方面仍相對地穩(wěn)定，那就是為了在夜間或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燈轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎酶邚姸确烹?HID)燈，最近又在向基于高亮度(HB) LED的設計轉(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)模預計將達到120億美元，到2015年，這一數(shù)字將增長到202億美元。年復合增長率為30.6% (數(shù)據(jù)來源：Strategies Unlimited)。驅(qū)動這種顯著增長的主要應用領域之一就是LED應用于汽車設計。汽車應用包括前燈、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，必須對所有這些改進都進行優(yōu)化，同時還要承受相對嚴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)部照明已有幾年了，但是特定于前燈的應用仍然相對較少，只有少數(shù)投產(chǎn)車型提供LED前燈。有人估計，2011年LED前燈市場大約為10億美元，到2014年預計將超過20億美元。
汽車照明系統(tǒng)設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必須設計成能在多種條件下滿足這些要求。所以，電源解決方案必須是高效率、功能堅固和非常可靠的，同時還要非常緊湊并具有高成本效益。可以說，就驅(qū)動高亮度LED 而言，要求最苛刻的應用之一是汽車前燈應用，因為這類應用要經(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~75W之間，還必須能裝進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構。
汽車 LED 前燈
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。從設計的角度來說，這些應用獨具特色，而且與近光和遠光前燈相比，這些應用面臨的設計挑戰(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80年代，鹵素燈是業(yè)界標準，這類燈憑借其具有的50W的電功率可提供大約1，500 lm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30 lm/W。上世界 90 年代中期，高強度放電 (HID) 氙燈成為主流，因為這類燈能提供高達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，如為了不造成迎面而來的車輛看不清路況，需要準確調(diào)節(jié)；工作壽命相對較短，僅為2，000小時；使用有毒的水銀蒸汽；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50 lm/W功效，這還不足以用于前燈應用，然而現(xiàn)在的LED設計提供100 lm/W功效，而且估計用不了幾年，就將超過150 lm/W的功效，從而甚至能超過最好的高強度放電燈。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)保設計，這些都使得用LED構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燈永遠不需要更換，因為它們的可靠壽命長達 10萬小時以上 (相當于11年半的使用年限)，甚至超過了汽車的壽命。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)不需要高強度放電燈或鹵素燈那么大的深度或面積。在靠輸入電功率提供光輸出 (以流明量度) 方面，高亮度LED燈還比鹵素燈的效率高 (而且不久就將超過高強度放電燈)。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陣列進行電子控制或調(diào)光，LED前燈可以非常容易地設計成可為很多不同的行車條件優(yōu)化照明。
設計參數(shù)
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都必須提供準確、高效率的DC電流源和準確的LED電壓調(diào)節(jié)。其次，驅(qū)動器IC必須提供調(diào)光方法和多種保護功能，以防遇到LED開路或短路故障。除了能靠電氣環(huán)境非常苛刻的汽車電源總線可靠工作，驅(qū)動器IC還必須具有高成本效益并有效利用空間。
汽車電子瞬態(tài)造成的挑戰(zhàn)：停止/啟動、冷車發(fā)動和負載突降情況
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)動技術在不斷演變。無論這些新技術納入了混合電動、清潔柴油還是更傳統(tǒng)的內(nèi)燃機設計，它們都有可能采用停止-啟動電動機設計。這種設計在全世界幾乎所有的混合動力汽車中已十分普遍，停止-啟動電動機設計已經(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)動機而言，停止-啟動系統(tǒng)的概念很容易理解，當車輛停止時，發(fā)動機關閉，然后在要求車輛再次開動時，發(fā)動機立即重新啟動。這樣一來，當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-啟動設計可將燃油消耗量和碳排放量降低5% ~10%。不過，此類設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，存在著兩大設計障礙：第一個是快速重啟時間。有些制造商利用增強的啟動器設計，將重啟時間降至不到0.5 s，從而使重啟真正感覺不到；第二個設計挑戰(zhàn)是，在發(fā)動機關閉時，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。
為了納入停止-啟動功能，的確需要對動力傳動系統(tǒng)的設計進行一些修改。過去的交流發(fā)電機也許還要用作增強的電動機起動器，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)動機何時以及怎樣啟動和停止。當發(fā)動機/交流發(fā)電機關閉時，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，當再次需要發(fā)動機工作時，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計挑戰(zhàn)，這一次是電氣方面的挑戰(zhàn)，因為重啟發(fā)動機需要大量吸取電流，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，當電池總線電壓短暫下降至5V，然后返回標稱的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。
當汽車發(fā)動機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，機油變得極度黏滯，需要發(fā)動機啟動器提供更大的扭矩，這又導致從電池吸取更大的電流。這么大的負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稱的13.8V。就發(fā)動機控制、行車安全和導航系統(tǒng)等應用而言，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)電機對電池進行充電時意外斷接，則將發(fā)生“負載突降”的情況。當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致高達60V的瞬態(tài)電壓尖峰，因為交流發(fā)電機試圖給不存在的電池完全充電。交流發(fā)電機上的瞬態(tài)電壓抑制器通常將總線電壓箝位在30V ~34V之間，并吸收大部分浪涌電流。但是，交流發(fā)電機下游的DC/DC轉(zhuǎn)換器和LED驅(qū)動器要承受高達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。
一種面向汽車應用的同步降壓-升壓型高亮度LED驅(qū)動器
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 ~60V的輸入電壓范圍使該器件非常適用于多種應用，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 ~ 60V的范圍內(nèi)設定，從而能驅(qū)動多種單串LED。
典型的50W前燈應用如圖1所示。這個應用運用單個電感器，以在電流為2A時準確地調(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，非常適用于滿足防眩目自動調(diào)光要求。對輸入和輸出(LED)電流均進行了監(jiān)視，同時提供了故障保護功能，以安然承受并報告LED開路或短路情況。
圖 1，效率為98%、功率為50W (25V、2A)的降壓-升壓型LED驅(qū)動器具50:1的調(diào)光比。
其內(nèi)部的4個降壓-升壓型開關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用。在這類應用中，輸入電壓在啟動/停止、冷車發(fā)動和負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MOSFET，可連續(xù)提供從50W ~100W的LED功率，效率高達98%，如圖2所示。在以傳統(tǒng)方式供電的車輛中，高效率非常重要，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電流準確度確保為LED串提供恒定照明，同時±2%的輸出電壓準確度可提供幾種LED保護功能，并使轉(zhuǎn)換器能作為恒定電壓源工作。LT3791可按照應用要求，采用模擬或PWM調(diào)光方法。此外，其開關頻率可在200 kHz ~700 kHz 范圍內(nèi)設定，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。
圖 2，圖 1 中LED的效率。
EFFICIENCY：效率 INPUT VOLTAGE：輸入電壓 BOOST：升壓
BUCK-BOOST：降壓-升壓 BUCK：降壓
結論
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應用，尤其是對汽車前燈應用的持續(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)光范圍和各種保護功能，進而提高系統(tǒng)可靠性。當然，這些 LED驅(qū)動器電路還必須能使構成占板的面積非常緊湊、扁平和熱效率非常高。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以戰(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用，適用于從先進的前向照明前燈到LCD背光照明的各種應用。汽車照明系統(tǒng)持續(xù)需要更高性能的LED驅(qū)動器，現(xiàn)在設計師有了創(chuàng)新的IC解決方案來滿足這種需求了。
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