汽車前燈需要降壓-升壓型LED驅(qū)動器

　　背景

　　今天，就連汽車的定義也在不斷演變，變化之多遠(yuǎn)勝以往。過去 100 年中，采用內(nèi)燃動力傳動系統(tǒng)的汽車一直占據(jù)主導(dǎo)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(shè)計(jì)都有一個(gè)共同的目標(biāo)，即提高燃油效率，同時(shí)減少碳排放量。新型動力總成設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)。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(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，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(shí)還要承受相對嚴(yán)酷的汽車電氣及物理環(huán)境的考驗(yàn)。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(shí)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(jì)，2011 年 LED 前燈市場大約為 10 億美元，2014 年預(yù)計(jì)將超過 20 億美元。

　　汽車照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)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?yàn)楦吡炼?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(jì)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(jiān)固和非?？煽?，同時(shí)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?yàn)檫@類應(yīng)用要經(jīng)受苛刻的汽車電氣環(huán)境的考驗(yàn)，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(shí)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)。

　　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(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(jì)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(shí)候，就知道開過來的是哪個(gè)品牌的車。從設(shè)計(jì)的角度來說，這些應(yīng)用獨(dú)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(jì)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?yàn)檫@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(diǎn)，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(shí);使用有毒的水銀蒸氣;制造費(fèi)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(jì)提供 100lm/W 功效，而且估計(jì)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(jiān)固性和環(huán)保設(shè)計(jì)，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(xiàng)積極意義。首先，這些 LED 燈永遠(yuǎn)不需要更換，因?yàn)樗鼈兊目煽繅勖L達(dá) 10 萬小時(shí)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(jì)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?yàn)?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(diǎn)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(jì)成可為很多不同的行車條件優(yōu)化照明。

　　設(shè)計(jì)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(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。

　　汽車電子瞬態(tài)造成的挑戰(zhàn)：停止 / 啟動、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(shí)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(jì)，它們都有可能采用停止-啟動電動機(jī)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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)。