高亮度LED滿足最苛刻汽車(chē)前燈照明應(yīng)用

2012年，高亮度(HB) LED的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到120億美元，到2015年，該市場(chǎng)將增長(zhǎng)至202億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到30.6% (數(shù)據(jù)來(lái)源：Strategies Unlimited公司)。促使LED 這種顯著增長(zhǎng)的關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域之一是LED在汽車(chē)設(shè)計(jì)中的使用。LED在汽車(chē)中的應(yīng)用范圍包括前燈、白天行車(chē)燈、剎車(chē)燈和轉(zhuǎn)向信號(hào)燈，儀表板顯示及背光照明，還有所有種類的車(chē)內(nèi)照明燈。由于客戶都有風(fēng)格偏好和安全需求，幾乎所有新車(chē)型都提供LED白天行車(chē)燈 (DRL)。本田雅閣的大多數(shù)2013車(chē)型都采用了LED白天行車(chē)燈，并在旅行車(chē)型和混合動(dòng)力車(chē)型中提供了LED前燈(參見(jiàn)圖1)。為了保持這種令人驚嘆的增長(zhǎng)率，LED不僅必須提供更強(qiáng)的可靠性、更低的功耗和更緊湊的外形尺寸，而且還必須實(shí)現(xiàn)可轉(zhuǎn)向前燈、防眩調(diào)光等創(chuàng)新設(shè)計(jì)。此外，在汽車(chē)環(huán)境中，LED所有這些改進(jìn)都必須優(yōu)化，同時(shí)還要承受條件相對(duì)苛刻的汽車(chē)電氣和物理環(huán)境。不言而喻，這些解決方案還必須提供非常扁平、緊湊的占板面積，同時(shí)提高總體性價(jià)比。

盡管幾年來(lái)，LED已經(jīng)用在白天行車(chē)燈、剎車(chē)燈、轉(zhuǎn)向信號(hào)燈和內(nèi)部照明中，但是特定于前燈的應(yīng)用還相對(duì)較新。目前，僅有少數(shù)量產(chǎn)車(chē)提供了LED前燈，其中包括本田雅閣、奧迪A8和R8、雷克薩斯 LS600h 和 RX450h、豐田普瑞斯、凱迪拉克凱雷德以及保時(shí)捷卡宴。有些業(yè)界估計(jì)數(shù)據(jù)表明，2012年LED前燈市場(chǎng)大約為10億美元，預(yù)計(jì)到2014年，該市場(chǎng)將超過(guò)20億美元，并繼續(xù)以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

汽車(chē)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師最大的挑戰(zhàn)之一是：怎樣優(yōu)化最新一代高亮度LED的所有優(yōu)勢(shì)。高亮度LED需要一個(gè)準(zhǔn)確、高效率的DC電流源，要有調(diào)光方法，而且必須提供各種保護(hù)功能。此外，這些LED的驅(qū)動(dòng)器IC必須設(shè)計(jì)為能在多種多樣的條件下滿足上述要求。因此，電源解決方案必須效率非常高、提供堅(jiān)固的功能和可靠性，同時(shí)又是非常緊湊和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的?？梢哉f(shuō)，就驅(qū)動(dòng)高亮度LED而言，要求最苛刻的應(yīng)用就是汽車(chē)前燈照明應(yīng)用，包括白天行車(chē)燈和前燈，因?yàn)檫@類應(yīng)用所處的是嚴(yán)酷的汽車(chē)電氣環(huán)境，必須提供大功率，一般在15W 至 75W 之間，還必須放入空間非常有限的外殼中，在達(dá)到所有這一切要求的同時(shí)，還要保持富有吸引力的成本結(jié)構(gòu)。

圖1：2013 本田雅閣旅行/混合動(dòng)力車(chē)型的LED白天行車(chē)燈和前燈

LED白天行車(chē)燈和前燈

尺寸小、壽命極長(zhǎng)、低功耗、更強(qiáng)的調(diào)光能力等優(yōu)勢(shì)，是高亮度LED白天行車(chē)燈和前燈得到廣泛采用的催化劑。幾家汽車(chē)制造商 (例如奧迪和梅塞德斯奔馳、以及雷克薩斯和豐田) 都用LED設(shè)計(jì)了非常獨(dú)特的白天行車(chē)燈，讓這些白天行車(chē)燈成為前燈的“眉毛”或“底線”，以此彰顯品牌的獨(dú)有魅力。這些應(yīng)用不僅從設(shè)計(jì)角度來(lái)看非常獨(dú)特，而且在提供可靠、具成本效益的解決方案時(shí)也有一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。隨著高亮度 LED 逐步用在近光和遠(yuǎn)光前燈中，這些挑戰(zhàn)也變得愈加顯著了。

大家熟知的是，前燈的主要功能是在夜間或者在不太理想的天氣情況下 (例如雨天、雪天和霧天) 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(dòng)力。在上世紀(jì)80 年代，鹵素?zé)舫蔀闃I(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，憑借50W的電功率，這類燈能提供大約1500流明的光，這比其之前的鎢絲燈發(fā)光量提高了50%。這樣的發(fā)光量轉(zhuǎn)換成功效 (即大家熟知的每瓦光輸出) 或每瓦提供的光，就是每瓦30流明 (30lm/W)。在上世紀(jì)90年代，高強(qiáng)度放電(HID) 氙燈成為主流，因?yàn)檫@類燈能提供80lm/W，從而使制造商能提供更大的總體光輸出。

不過(guò)，氙燈也有缺點(diǎn)，例如：需要準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)，以避免使對(duì)面的車(chē)輛看不清道路；工作壽命相對(duì)短，僅為2000小時(shí)；使用有毒的水銀氣體和制造費(fèi)用昂貴。隨著高亮度LED燈的功效持續(xù)提高，這類燈已經(jīng)變得更加理想地適用于前燈應(yīng)用了。5年前，量產(chǎn)高亮度LED燈提供50lm/W的功效，這還不足以用于前燈應(yīng)用，不過(guò)，目前的LED設(shè)計(jì)可提供100lm/W 光輸出，而且估計(jì)在接下來(lái)的幾年內(nèi)，光輸出將超過(guò)150lm/W，這甚至超過(guò)了最好的高強(qiáng)度放電燈。LED能提供大致相同的每瓦光輸出量，而且還有其他一些優(yōu)點(diǎn)，包括長(zhǎng)壽命、堅(jiān)固性和環(huán)保設(shè)計(jì)，因此用LED構(gòu)成新一代前燈變得尤其有吸引力了。

用LED構(gòu)成汽車(chē)前燈和白天行車(chē)燈有很多優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)生了幾種積極影響。首先，LED燈從不需要更換，因?yàn)樗鼈兊目煽繅勖L(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)小時(shí)以上 (使用年限為11.5年)，超過(guò)了車(chē)輛的壽命。這就允許汽車(chē)制造商將LED燈永久性地嵌入到車(chē)身中，而無(wú)需為進(jìn)行更換留出操作余地。LED燈還有助于極大地改變車(chē)輛款式，因?yàn)長(zhǎng)ED照明系統(tǒng)不需要高強(qiáng)度放電燈或鹵素?zé)羲璧纳疃然蛎娣e。從輸入電功率提供光輸出 (以流明為單位) 時(shí)，高亮度LED燈還比鹵素?zé)舻男矢?(而且不久就將超過(guò)高強(qiáng)度放電燈)。這有兩種積極影響。首先，可以耗費(fèi)更少的汽車(chē)總線電功率，這在電動(dòng)型汽車(chē)和混合動(dòng)力型汽車(chē)中尤其重要，同樣重要的是，效率高還可以減少需要在外殼中散出的熱量，從而無(wú)需任何笨重、昂貴的散熱器。最后，通過(guò)在前燈陣列中使用高亮度LED陣列，并以電子方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向以及調(diào)光，可以很容易地設(shè)計(jì)LED陣列，并為很多不同的驅(qū)動(dòng)情況而優(yōu)化照明。

設(shè)計(jì)參數(shù)

為了確保最佳性能和長(zhǎng)工作壽命，LED需要一種有效的驅(qū)動(dòng)電路。這意味著，無(wú)論輸入電壓源怎樣變化，驅(qū)動(dòng)器IC都必須高效率地提供準(zhǔn)確的DC電流并提供準(zhǔn)確的LED電壓調(diào)節(jié)。其次，驅(qū)動(dòng)器IC必須提供一種調(diào)光方法，還要提供多種保護(hù)功能，以防遭遇LED開(kāi)路或短路故障。除了依靠電氣環(huán)境十分惡劣的汽車(chē)電源總線可靠地工作，驅(qū)動(dòng)器IC還必須經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，節(jié)省空間。

停/啟、冷車(chē)發(fā)動(dòng)和負(fù)載突降情況

為了最大限度地提高燃油里程，同時(shí)盡量減少二氧化碳排放量，各種可選擇的驅(qū)動(dòng)技術(shù)一直在不斷發(fā)展。不論這些新技術(shù)采用的是電動(dòng)混合、清潔柴油還是更傳統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，它們都有可能還需要采用停-啟馬達(dá)設(shè)計(jì)。在世界各地的所有混合動(dòng)力型汽車(chē)設(shè)計(jì)中，停-啟馬達(dá)已經(jīng)普遍存在了，很多歐洲和亞洲的汽車(chē)制造商也已經(jīng)在傳統(tǒng)的汽油和柴油汽車(chē)中采用了這類停-啟設(shè)計(jì)。福特汽車(chē)公司不久前在美國(guó)宣布，將在即將推出面向美國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的車(chē)型中采用停-啟系統(tǒng)。

就發(fā)動(dòng)機(jī)而言，停-啟系統(tǒng)的概念簡(jiǎn)單易懂，當(dāng)車(chē)輛停止時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，然后當(dāng)要求車(chē)輛再次移動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)立即重新啟動(dòng)。在車(chē)輛停在車(chē)流中或停在紅燈處時(shí)，這可以節(jié)省燃油，減少尾氣排放。這種停-啟設(shè)計(jì)可以將燃油消耗和尾氣排放分別減少5%至10%。然而，這種設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)是，不讓駕駛員感覺(jué)到整個(gè)停-啟過(guò)程。要想讓駕駛員感覺(jué)不到停-啟動(dòng)作，會(huì)遇到兩個(gè)主要的設(shè)計(jì)障礙。第一個(gè)是快速重啟。有些制造商利用增強(qiáng)的啟動(dòng)器設(shè)計(jì)，已經(jīng)將重啟時(shí)間縮短至不到0.5s，從而使重啟過(guò)程真正不被感覺(jué)到。第二個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)，保持車(chē)中所有電子系統(tǒng)正常運(yùn)行，包括由電池直接供電的空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)；同時(shí)保持足夠的電力儲(chǔ)備，以在要加速時(shí)快速重啟發(fā)動(dòng)機(jī)。

為了納入停-啟功能，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行一些修改。也就是說(shuō)，原來(lái)的交流發(fā)電機(jī)可能還要兼作增強(qiáng)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器，以確保快速重啟。此外，必須增加一個(gè)停-啟電子控制單元 (ECU)，以控制發(fā)動(dòng)機(jī)何時(shí)以及怎樣啟動(dòng)和停止。在發(fā)動(dòng)機(jī) / 交流發(fā)電機(jī)關(guān)閉時(shí)，電池必須能給車(chē)燈、環(huán)境控制以及其他電子系統(tǒng)供電。另外，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)需要再次啟動(dòng)時(shí)，電池必須能給啟動(dòng)器供電。這種極端的電池加載要求又引入了另一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，這是一個(gè)電氣方面的挑戰(zhàn)，因?yàn)橹貑l(fā)動(dòng)機(jī)需要吸取很大的電流，這可能暫時(shí)將電池電壓拉低至 6V。對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)器的挑戰(zhàn)是，當(dāng)電池總線電壓短暫降至6V、然后在充電器回到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)返回13.8V標(biāo)稱值時(shí)，連續(xù)提供良好穩(wěn)定的輸出電壓和LED電流。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)處于寒冷或冰凍溫度中一段時(shí)間以后，會(huì)發(fā)生冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況。發(fā)動(dòng)機(jī)油變得極度粘稠，需要發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器提供更大的扭矩，這又需要從電池吸取更大的電流。這種大的負(fù)載電流可能在一點(diǎn)火時(shí)，將電池/主總線電壓拉至低于6V，之后，該電壓一般會(huì)返回到13.8V的標(biāo)稱值。

當(dāng)電池電纜意外斷接而交流發(fā)電機(jī)仍然在給電池充電時(shí)，就會(huì)發(fā)生負(fù)載突降。當(dāng)電池電纜連接松動(dòng)而汽車(chē)正在運(yùn)行，或者當(dāng)電池電纜斷開(kāi)而汽車(chē)正在運(yùn)轉(zhuǎn)，都會(huì)發(fā)生這種負(fù)載突降情況。這種電池電纜的突然斷接可能導(dǎo)致高達(dá)60V的瞬態(tài)電壓尖峰，因?yàn)榻涣靼l(fā)電機(jī)試圖全力給一個(gè)已經(jīng)不在的電池充電。交流發(fā)電機(jī)上的瞬態(tài)電壓抑制器通常將總線電壓箝位在 30V至34V，并吸收大部分浪涌；不過(guò)，交流發(fā)電機(jī)下游的DC/DC轉(zhuǎn)換器和LED驅(qū)動(dòng)器會(huì)遭遇高達(dá)36V的瞬態(tài)電壓尖峰。人們不僅期望這些LED驅(qū)動(dòng)器能承受這樣的電壓尖峰，而且在發(fā)生這些瞬態(tài)事件時(shí)，這些LED驅(qū)動(dòng)器還必須連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓和LED電流。

短路保護(hù)

就白天行車(chē)燈和前燈而言，單串高亮度LED串中包括6到20個(gè)LED。由于標(biāo)稱輸入電壓為13.8V，在某些瞬態(tài)情況下甚至更低，所以一般首選升壓型LED驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)，因?yàn)檫@種架構(gòu)比 SEPIC或降壓-升壓型設(shè)計(jì)效率更高、更簡(jiǎn)單和具成本效率。不過(guò)，直到不久前，升壓型架構(gòu)一直難以抵御短路的影響。在汽車(chē)應(yīng)用中這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)長(zhǎng)ED在前端碰撞中容易被損壞，而且任何電弧都可能點(diǎn)燃濺出的汽油。由于這個(gè)原因，過(guò)去大多數(shù)前端照明LED應(yīng)用都采用更昂貴和更復(fù)雜的SEPIC解決放案，這種解決方案具備固有的短路保護(hù)能力。然而，隨著新的和具備非常堅(jiān)固保護(hù)能力的升壓型LED驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)，未來(lái)的應(yīng)用將會(huì)采用這種設(shè)計(jì)，以提供效率更高和具成本效益的解決方案。

EMI問(wèn)題

降低LED驅(qū)動(dòng)器的任何電磁干擾(EMI)都有利于電源總線的總體設(shè)計(jì)。因?yàn)長(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器通常是基于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的，所以降低開(kāi)關(guān)噪聲是人們所希望的。這可以通過(guò)采用擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。正如在圖2中可以看到的那樣，這種調(diào)制方法通過(guò)在較寬的頻率范圍內(nèi)擴(kuò)展頻譜，將輸出開(kāi)關(guān)噪聲降低了20dB，從而極大地減輕了EMI問(wèn)題。

圖2：LT3795輸出噪聲頻譜比較
(RAMP引腳接地 = 常規(guī)切換，RAMP引腳端 47nF = 擴(kuò)展頻譜)
AMPLITUDE：幅度
FREQUENCY：頻率
RAMP PIN GROUNDED：RAMP 引腳接地
47nF AT RAMP PIN：RAMP 引腳端 47nF

一種新的汽車(chē)高亮度LED驅(qū)動(dòng)器控制器

幸運(yùn)的是，對(duì)這些困境有一種新的解決方案，那就是凌力爾特公司的LT3795LED驅(qū)動(dòng)器。LT3795是一款升壓型DC/DC LED驅(qū)動(dòng)器，可提供超過(guò)100W的LED功率。該器件具備6V至110V 的輸入電壓范圍，因此非常適用于汽車(chē)、商用卡車(chē)甚至航空系統(tǒng)中的多種高亮度LED應(yīng)用。其高壓側(cè)電流檢測(cè)設(shè)計(jì)可配置為升壓模式、降壓-升壓模式、SEPIC和降壓模式架構(gòu)，從而可提供多種設(shè)計(jì)靈活性。此外，其輸出電壓可以在0V至110V的范圍內(nèi)設(shè)定，從而能驅(qū)動(dòng)多種單串LED，同時(shí)在升壓型設(shè)計(jì)中，能提供非常堅(jiān)固和簡(jiǎn)單的短路保護(hù)。

一種典型的50W前燈應(yīng)用如圖3所示。這個(gè)應(yīng)用采用了升壓型架構(gòu)，以提供高達(dá)87V的LED電壓，該電壓能以超過(guò)600mA的LED電流驅(qū)動(dòng)多達(dá)20個(gè)LED。大多數(shù)白天行車(chē)燈都采用8到15個(gè) LED，電流在350mA范圍內(nèi)，而近光前燈會(huì)采用約為50V的1A LED，遠(yuǎn)光前燈則可能采用高達(dá)2A和50V。LT3795可用于所有這些應(yīng)用。

圖3：具備輸入電流限制和擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制、效率為93%、功率為50W (87V、575mA)的降壓型LED驅(qū)動(dòng)器

LT3795采用高壓側(cè)電流檢測(cè)方法，從而使該器件能用于升壓型、降壓型、降壓-升壓型或SEPIC和反激式拓?fù)?。此外，LT3795提供輸入和輸出電流限制及監(jiān)視，以增強(qiáng)可靠性和設(shè)計(jì)靈活性。LT3795 在升壓模式還可以提供超過(guò)94%的效率，從而最大限度地減小了對(duì)外部散熱器的需求。頻率調(diào)節(jié)引腳使用戶能在100kHz至1MHz范圍內(nèi)設(shè)定頻率，從而可優(yōu)化效率，同時(shí)最大限度地減小外部組件的尺寸和成本。還可以啟動(dòng)擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制，以通過(guò)將開(kāi)關(guān)頻率降低20dB來(lái)改善電磁兼容性。

LT3795集成了短路保護(hù)功能，當(dāng)檢測(cè)到短路時(shí)，該功能使穩(wěn)壓器停止切換，并斷開(kāi)LED陣列與電源通路的連接。此外，該器件還通過(guò)SHORTLED引腳報(bào)告短路情況。在短路保護(hù)啟動(dòng)以后，可以設(shè)定LT3795以運(yùn)用“打嗝” (Hiccup) 模式，看短路是否已得到糾正，或運(yùn)用鎖斷模式，該模式要求切換EN/ULVO以重新啟動(dòng)該器件。不管輸出電壓高低，這種功能都為升壓以及降壓-升壓型應(yīng)用提供了非常堅(jiān)固的短路保護(hù)。此外，LT3795還提供LED開(kāi)路保護(hù)并報(bào)告開(kāi)路情況，這樣如果一串LED中的某個(gè)LED開(kāi)路了，這些LED就不會(huì)被損壞。

LT3795提供±3%的LED電流準(zhǔn)確度，這可確保用在一個(gè)LED串提供恒定照明，同時(shí)該器件±2%的輸出電壓準(zhǔn)確度允許提供幾種LED保護(hù)功能，還使轉(zhuǎn)換器能作為衡定電壓源工作。LT3795可運(yùn)用PWM調(diào)光提供高達(dá)3000:1的調(diào)光比，或提供調(diào)光比高達(dá)20:1的模擬調(diào)光。其他功能包括輸出斷接、輸入和輸出電流限制/監(jiān)視器以及集成的故障保護(hù)。該器件的高集成度和耐熱增強(qiáng)型TSSOP-28封裝可構(gòu)成非常緊湊的高亮度LED驅(qū)動(dòng)器解決方案。

圖4：采用 LT3795的圖3所示電路之LED效率
Efficiency vs V_IN：效率隨V_IN的變化

圖5：圖3所示電路在打嗝模式和鎖斷模式的短路保護(hù)
Hiccup Mode：打嗝模式
Latchoff Mode：鎖斷模式
Latchoff Mode：鎖斷模式

結(jié)論

對(duì)更高性能和更高性價(jià)比永無(wú)止境的需求，促進(jìn)了高亮度LED應(yīng)用的持續(xù)加速增加，尤其是在汽車(chē)白天行車(chē)燈和前燈中的LED應(yīng)用。這種需求必須要有新的高亮度LED驅(qū)動(dòng)器IC才能滿足。這些LED驅(qū)動(dòng)器必須提供恒定電流，無(wú)論輸入電壓或LED正向電壓怎樣變化，都能保持一致的亮度，同時(shí)這些LED驅(qū)動(dòng)器還必須以高效率工作、提供非常寬的調(diào)光范圍、以及各種保護(hù)功能 (例如: 短路和開(kāi)路保護(hù)) 以提高系統(tǒng)可靠性。當(dāng)然，這種LED驅(qū)動(dòng)器電路還必須提供占板面積非常緊湊、扁平和熱效率非常高的解決放案。幸運(yùn)的是，凌力爾特公司不斷地重新定義LED驅(qū)動(dòng)器系列，以憑借LT3795等高亮度LED驅(qū)動(dòng)器IC應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。此外，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)完整的大電流LED驅(qū)動(dòng)器IC系列，該系列專門(mén)針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用，從先進(jìn)的前向照明前燈到LCD背光照明，可用于多種應(yīng)用。在汽車(chē)照明系統(tǒng)不斷要求性能更高的LED驅(qū)動(dòng)器之際，設(shè)計(jì)師有了創(chuàng)新的IC解決方案以滿足他們的要求。