低能耗LED提供更高效率照明

引言

LED在汽車應(yīng)用中的普及率持續(xù)攀升，這得益于其長久的使用壽命以及可用于汽車車身造型和內(nèi)部設(shè)計的靈活性。不管與氙氣燈泡還是白熾燈泡相比，用于車前燈、晝間行駛燈和轉(zhuǎn)向信號指示燈的LED照明在設(shè)計靈活性方面都要遠勝一籌。這使得汽車前端的車身設(shè)計師能夠完成一些此前絕無可能實現(xiàn)的設(shè)計方案。Audi公司的A系列汽車就很好地表現(xiàn)出了LED照明的這種設(shè)計靈活性：這些車輛的晝間行駛燈被安放在位于車前燈和轉(zhuǎn)向信號燈下面的線型陣列中。如果您曾在后視鏡中看到過上述的某款汽車，您就能夠確切地了解我所描述的情況。

但是，車前燈本身恰恰曾經(jīng)是LED在汽車環(huán)境中難以實現(xiàn)的應(yīng)用目標(biāo)。其主要原因在于LED及其關(guān)聯(lián)的驅(qū)動器電路的熱設(shè)計。傳統(tǒng)的燈泡本質(zhì)上就是一個“加熱器”，并且在高溫下工作，與之不同的是，LED及其驅(qū)動器電路需要把散熱器作為其外殼的一部分加以整合，以便將熱量從LED上移開。顯然，LED驅(qū)動器的轉(zhuǎn)換效率及其相關(guān)功率損失會對汽車前照燈配置中所使用的LED外殼的熱設(shè)計產(chǎn)生重大的影響。由于高溫運作環(huán)境對LED的光輸出和工作壽命具有負(fù)面影響，因此上述的所有預(yù)防措施都是必不可少的。

1 LED和性能

高功率或高亮度LED的光輸出已經(jīng)超越了具有重要里程碑意義的100lm/瓦(lm/W)。事實上，有的制造商已聲稱在實驗室里獲得了200lm/W的LED光輸出。因此很明顯，就發(fā)光效能而言，LED已超過了白熾燈泡(標(biāo)準(zhǔn)60W燈泡的光輸出為15lm/W)。或者，換句話說：就是用來自某個光源的光輸出量(單位：流明)與產(chǎn)生該光輸出量所消耗的功率量(單位：W)之比來表示光輸出。即使如此，據(jù)預(yù)測，到2012年，光輸出達150lm/W的LED在市面上將隨處可見。另一個附加的好處是LED的壽命。視計算方式的不同，白光LED燈泡的壽命至少可以達到10，000小時，有的甚至聲稱高達50，000小時，而白熾燈泡的壽命則僅為1，200至1，500小時左右。此外，LED是“綠色”產(chǎn)品，原因是其不含任何危險材料。

LED照明的成本下降得非?？?。在過去的12個月里，專用白光LED(某些已被LED燈泡所采用并占據(jù)了其大部分成本)的價格已經(jīng)從幾年前的約5美元降至1.00美元以下。LED行業(yè)的許多分析人士預(yù)測：在未來的12個月時間里，用LED燈泡替換白熾燈泡的價位將為消費者所接受。有些LED制造商聲稱他們已經(jīng)設(shè)計出了可為LED燈泡供電的發(fā)光芯片，所產(chǎn)生的光線亮度與大多數(shù)私人住宅廣泛使用的75W白熾燈泡相當(dāng)。為了具備輸出該光量的能力，此類LED芯片通常需要12W至15W的功率。

特別是就汽車而言，車前燈必需具有至少800流明的光輸出量。Cree公司是一家LED制造商，它推出了其XLampXP-G系列LED，據(jù)稱其流明密度是目前市面上照明類LED當(dāng)中最高的。這些LED采用該公司的XP系列封裝，可提供高達400流明的光輸出量(在1A)和超過130lm/W的光輸出(在350mA)。于是，鑒于LED車前燈將在節(jié)能方面為車主帶來好處(與標(biāo)準(zhǔn)版本的車前燈相比，其效率通常要高出75%)，因此它的使用將降低汽車每年的油耗水平。

LED實際上能夠節(jié)約多少燃油成本呢?美國密歇根大學(xué)交通運輸研究所(Michigan’sTransportationResearchInstitute-UMTRI)。在2008年進行的一項研究中對此做了評估。在那次研究中，他們通過比較100%采用白熾燈和鹵素?zé)粽彰鞴庠吹膫鹘y(tǒng)系統(tǒng)與照明效果相當(dāng)、100%使用LED照明光源的新型系統(tǒng)，對客車外部照明的功耗情況進行了調(diào)查分析。結(jié)果表明：全LED系統(tǒng)的光能節(jié)省幅度達50%以上。這不僅節(jié)約了汽油動力車的燃油成本，而且還將使汽車的總體碳排放量每年降低1%至2%。

2 驅(qū)動一個25W的車前燈

如今，一個25W白光LED車前燈可以采用由18個串聯(lián)LED組成的陣列來配置，使350mA的電流流過這些LED以產(chǎn)生所需的光輸出。不過，如何高效和簡單地驅(qū)動這樣一種配置，這是設(shè)計師所面臨的一個重大障礙。由凌力爾特公司近期推出的LT3956單片式LED驅(qū)動器是一種可行的解決方案。LT3956是一款DC/DC轉(zhuǎn)換器，專為充當(dāng)一個恒定電流和恒定電壓調(diào)節(jié)器而設(shè)計。它非常適合于驅(qū)動大電流、高亮度LED(見圖1)。

該器件具有一個內(nèi)部低端N溝道功率MOSFET，此MOSFET的額定規(guī)格針對84V/3.3A而擬訂，并從一個內(nèi)部已調(diào)7.15V電源來驅(qū)動。固定頻率、電流模式架構(gòu)在一個很寬的電源和輸出電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)了穩(wěn)定的操作。一個參考于地的電壓反饋(FB)引腳用作多個LED保護功能電路的輸入，而且還使轉(zhuǎn)換器能夠起一個恒定電壓源的作用。一個頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶在100kHz至1MHz的范圍內(nèi)設(shè)置頻率，旨在優(yōu)化效率、性能或外部組件尺寸。

LT3956在LED串的高端檢測輸出電流。高端電流檢測是用于驅(qū)動LED的最靈活方案，允許采用升壓、降壓模式或降壓-升壓模式配置。PWM輸入提供了高達3000:1的LED調(diào)光比，而CTRL輸入則提供了額外的模擬調(diào)光能力。

LT3956的轉(zhuǎn)換效率可以達到約94%(取決于輸入電壓和工作頻率)。這一點示于圖2中給出的效率曲線。

這種高轉(zhuǎn)換效率可為LED車前燈外殼實現(xiàn)一種更加簡單明了的熱設(shè)計方案，因為這款LED驅(qū)動器并不會對LED本身所產(chǎn)生的熱量有顯著的影響。在上面的例子中，LED驅(qū)動器的功率損失為1.5W，這些功率被作為熱量[25W×(1-0.94)]而耗散掉。這具有額外的好處，就是同時還降低對空間和重量的要求。

3 結(jié)語

對于即將在汽車環(huán)境中使用的高功率LED驅(qū)動器來說，某些特性是其必須具備的。顯然，它必須要能夠運用一種同時滿足輸入電壓范圍以及所需的輸出電壓和電流要求的轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，給不同類型的LED配置提供足夠的電流和電壓。不過，它們還應(yīng)該擁有以下特點：寬輸入電壓范圍、寬輸出電壓范圍、高效轉(zhuǎn)換、嚴(yán)格調(diào)節(jié)的LED電流匹配、低噪聲、恒定頻率操作、獨立的電流和調(diào)光控制、寬調(diào)光比范圍、小巧緊湊的占板面積和極少的外部組件。

即使在具備以上性能特征的情況下，由LED驅(qū)動器驅(qū)動的LED還必須能夠從盡可能低的功率等級來提供所需的光輸出量(流明)，且不會導(dǎo)致熱設(shè)計遭受重大的限制。幸運的是，對于車前燈設(shè)計師而言，他們已經(jīng)同時擁有了高效能LED和高性能LED驅(qū)動器，從而能夠?qū)崿F(xiàn)以往一直被認(rèn)為是互斥的(即：從低輸入功率等級來提供高的光輸出量)。

圖3 產(chǎn)品圖