背景
今天，就連汽車(chē)的定義也在不斷演變，變化之多遠勝以往。過(guò)去 100 年中，采用內燃動(dòng)力傳動(dòng)系統的汽車(chē)一直占據主導地位，主要由汽油提供動(dòng)力，還有少量的柴油動(dòng)力傳動(dòng)系統。
可是現在，從純電動(dòng)型 (EV) 到高效率內燃傳動(dòng)系統，再到大量組合式傳動(dòng)系統 (常稱(chēng)為混合動(dòng)力傳動(dòng)系統)，我們有了多種汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統。所有這些設計都有一個(gè)共同的目標，即提高燃油效率，同時(shí)減少碳排放量。新型動(dòng)力總成設計包括直接燃料噴射、渦輪增壓、引擎停止/啟動(dòng)系統、再生制動(dòng)、乙醇含量較高的燃料以及較清潔的柴油燃燒。隨著(zhù)混合動(dòng)力型汽車(chē)的開(kāi)發(fā)，汽車(chē)變得更加依賴(lài)較清潔的電力來(lái)源了。盡管取得了如此大的進(jìn)步，但是汽車(chē)設計有一方面相對地穩定，那就是為了在夜間或在天氣條件不夠完美的情況下行車(chē)，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 的設計轉變，從而為高亮度 LED 開(kāi)拓了一條增長(cháng)之路。
今年，高亮度 LED 的市場(chǎng)規模預計將達到 120 億美元，到 2015 年，這一數字將增長(cháng)到 202 億美元。年復合增長(cháng)率為 30.6% (數據來(lái)源：Strategies Unlimited)。驅動(dòng)這種顯著(zhù)增長(cháng)的主要應用領(lǐng)域之一是 LED 應用于汽車(chē)設計。汽車(chē)應用包括前燈、白天行車(chē)燈和剎車(chē)燈以及儀表板顯示器背光照明和所有車(chē)內梳妝照明燈。不過(guò)，為了保持如此顯著(zhù)的增長(cháng)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)現創(chuàng )新性設計，例如可操控的汽車(chē)前照燈和防眩目調光。此外，在汽車(chē)環(huán)境中，所有這些改進(jìn)都必須進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)還要承受相對嚴酷的汽車(chē)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(shí)提高總體成本效益。
盡管 LED 用于白天行車(chē)燈、剎車(chē)燈、轉向信號燈和內部照明已經(jīng)好幾年了，但是特定于前燈的應用仍然相對較少。目前，只有少數投產(chǎn)車(chē)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，2011 年 LED 前燈市場(chǎng)大約為 10 億美元，2014 年預計將超過(guò) 20 億美元。
汽車(chē)照明系統設計師面臨的最大挑戰之一是，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，還需要調光，所以 LED 驅動(dòng)器 IC 必須設計成能在多種條件下滿(mǎn)足這些要求。結果，電源解決方案必須是高效率、功能堅固和非�？煽�，同時(shí)還要非常緊湊并具有高成本效益�？梢哉f(shuō)，就驅動(dòng)高亮度 LED 而言，要求最苛刻的應用之一是汽車(chē)前燈應用，因為這類(lèi)應用要經(jīng)受苛刻的汽車(chē)電氣環(huán)境的考驗，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(mǎn)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(chē) LED 前燈
高亮度 LED 前燈有眾多優(yōu)勢，例如尺寸小、壽命極長(cháng)、功耗低以及增強了調光功能，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(chē)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(chē)燈，這些燈圍繞在前燈周?chē)�，如果把前燈比作眼睛，那么這些行車(chē)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(méi)看清車(chē)是什么樣子的時(shí)候，就知道開(kāi)過(guò)來(lái)的是哪個(gè)品牌的車(chē)。從設計的角度來(lái)說(shuō)，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)展的主要驅動(dòng)力。上世紀 80 年代，鹵素燈是業(yè)界標準，這類(lèi)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，高強度放電 (HID) 氙燈成為主流，因為這類(lèi)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(guò)，氙燈也有缺點(diǎn)，例如：為了不造成迎面而來(lái)的車(chē)輛看不清路況，需要準確調節；工作壽命相對較短，為 2000 小時(shí)；使用有毒的水銀蒸氣；制造費用很高。隨著(zhù)高亮度 LED 的功效持續提高，這類(lèi) LED 已經(jīng)成為前燈應用更希望使用的產(chǎn)品。5 年前，已用在汽車(chē)中的高亮度 LED 提供 50lm/W 功效，這還不足以用于前燈應用，然而現在的 LED 設計提供 100lm/W 功效，而且估計用不了幾年，就將超過(guò) 150lm/W 的功效，從而超過(guò)甚至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(cháng)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。
圖 1：已用在汽車(chē)中的 LED 前燈
在汽車(chē)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(cháng)達 10 萬(wàn)小時(shí)以上 (相當于 11 年半的使用年限)，這超過(guò)了汽車(chē)的壽命。因此汽車(chē)制造商可以將 LED 永久性地嵌入到前燈設計中，而無(wú)需為更換留出余地。這還使汽車(chē)款式能得到極大的改變，因為 LED 照明系統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(guò)高強度放電燈)。這會(huì )產(chǎn)生兩種積極影響。首先，LED 燈從汽車(chē)總線(xiàn)吸取更少的電功率，在電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)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中散出的熱量，從而無(wú)需笨重、昂貴的散熱器。最后，通過(guò)使用高亮度 LED 陣列以及對 LED 陣列進(jìn)行電子控制或調光，LED 前燈可以非常容易地設計成可為很多不同的行車(chē)條件優(yōu)化照明。
設計參數
為了確保最佳性能和較長(cháng)的工作壽命，LED 需要有效的驅動(dòng)電路。不管輸入電壓源的變化范圍有多寬，這些驅動(dòng)器 IC 都必須提供準確、高效率的 DC 電流源和準確的 LED 電壓調節。其次，驅動(dòng)器 IC 必須提供調光方法和多種保護功能，以防遇到 LED 開(kāi)路或短路故障。除了能靠電氣環(huán)境非�？量痰钠�(chē)電源總線(xiàn)可靠工作，驅動(dòng)器 IC 還必須具有高成本效益并有效利用空間。
汽車(chē)電子瞬態(tài)造成的挑戰：停止 / 啟動(dòng)、冷車(chē)發(fā)動(dòng)和負載突降情況
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(dòng)力驅動(dòng)技術(shù)在不斷演變。無(wú)論這些新技術(shù)納入了混合電動(dòng)、清潔柴油還是更傳統的內燃機設計，它們都有可能采用停止-啟動(dòng)電動(dòng)機設計。這種設計在全世界幾乎所有的混合動(dòng)力汽車(chē)中已十分普遍，停止-啟動(dòng)電動(dòng)機設計已經(jīng)普遍存在，很多歐洲和亞洲的汽車(chē)制造商也一直在將這種設計納入傳統的汽油和柴油車(chē)輛中。美國福特汽車(chē)公司已宣布，將在很多面向美國市場(chǎng)的 2012 車(chē)型中，采用停止-啟動(dòng)系統。
就發(fā)動(dòng)機而言，停止-啟動(dòng)系統的概念很容易理解，當車(chē)輛停止時(shí)，發(fā)動(dòng)機關(guān)閉，然后在要求車(chē)輛再次開(kāi)動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機立即重新啟動(dòng)。這樣一來(lái)，當汽車(chē)在行駛中因交通情況或紅燈而暫停時(shí)，就不會(huì )消耗燃油，也不會(huì )排放碳。這種停止-啟動(dòng)設計可將燃油消耗量和碳排放量降低 5% 至高達 10%。不過(guò)，此類(lèi)設計所面臨的最大挑戰是：怎樣使整個(gè)起停狀況不為駕駛者所察覺(jué)。為避免駕駛者覺(jué)察汽車(chē)的起停能力，存在著(zhù)兩大設計障礙。第一個(gè)是快速重啟時(shí)間。有些制造商利用增強的啟動(dòng)器設計，將重啟時(shí)間降至不到 0.5 秒，從而使重啟真正感覺(jué)不到。第二個(gè)設計挑戰是，在發(fā)動(dòng)機關(guān)閉時(shí)，保持所有電子系統直接由電池供電，包括空調系統和照明系統，而且同時(shí)仍然保持足夠的電池電量?jì)�，以在加速時(shí)快速重啟發(fā)動(dòng)機。
為了納入停止-啟動(dòng)功能，的確需要對動(dòng)力傳動(dòng)系統的設計進(jìn)行一些修改。過(guò)去的交流發(fā)電機也許還要用作增強的電動(dòng)機起動(dòng)器，以確�？焖僦貑�，另外，必須增加一個(gè)停止-啟動(dòng)電子控制單元 (ECU)，以控制發(fā)動(dòng)機何時(shí)以及怎樣啟動(dòng)和停止。當發(fā)動(dòng)機 / 交流發(fā)電機關(guān)閉時(shí)，電池必須能給車(chē)輛的各種燈、環(huán)境控制系統以及其他電子系統供電。此外，當再次需要發(fā)動(dòng)機工作時(shí)，電池必須能給啟動(dòng)器供電。這種極端的電池加載情況引入了另一個(gè)設計挑戰，這一次是電氣方面的挑戰，因為重啟發(fā)動(dòng)機需要大量吸取電流，這又可能使電池電壓暫時(shí)被拉低至 5V。對 LED 驅動(dòng)器的挑戰是，當電池總線(xiàn)電壓短暫下降至 5V、然后返回標稱(chēng)的 13.8V (這時(shí)充電器返回穩定狀態(tài)) 時(shí)，持續提供良好穩定的輸出電壓和 LED 電流。
當汽車(chē)發(fā)動(dòng)機處于寒冷或冰凍溫度一段時(shí)間后，會(huì )發(fā)生“冷車(chē)發(fā)動(dòng)”情況。在這種情況下，機油變得極度黏滯，需要發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)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(diǎn)火時(shí)將電池 / 主總線(xiàn)電壓拉低至不到 5V，之后該電壓一般返回到標稱(chēng)的 13.8V。就發(fā)動(dòng)機控制、行車(chē)安全和導航系統等應用而言，在發(fā)生冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況時(shí)，保持良好穩定的輸出電壓 (通常為 5V) 是非常重要的，這樣才能在車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)，持續保持電源系統工作。
如果電池電纜在交流發(fā)電機仍然在對電池進(jìn)行充電時(shí)意外斷接，則將發(fā)生“負載突降”的情況。當電池電纜在汽車(chē)工作時(shí)出現松動(dòng)、或者電池電纜在汽車(chē)行駛時(shí)出現斷裂，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(xiàn)電壓箝位在 30V 至 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 轉換器和 LED 驅動(dòng)器要承受高達 36V 的瞬態(tài)電壓尖峰。在這類(lèi)瞬態(tài)事件發(fā)生時(shí)，要求這些 LED 驅動(dòng)器不僅不被損壞，還必須持續調節輸出電壓和 LED 電流。
一種面向汽車(chē)應用的同步降壓-升壓型高亮度 LED 驅動(dòng)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 驅動(dòng)器。LT3791 是一款同步降壓-升壓型 DC/DC LED 驅動(dòng)器和電壓控制器，可提供超過(guò) 100W 的 LED 功率。其 4.7V 至 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(chē)、卡車(chē)甚至航空電子的高亮度 LED 前燈。類(lèi)似地，其輸出電壓可以在 0V 至 60V 的范圍內設定，從而能驅動(dòng)多種單串 LED。
典型的 50W 前燈應用如圖 2 所示。這個(gè)應用運用單個(gè)電感器，以在 2A 時(shí)準確地調節一個(gè) 25V 的 LED 串，并提供 50W LED 功率。該電路可提供一個(gè) 50:1 的 PWM 調光比，非常適合于滿(mǎn)足防眩目自動(dòng)調光要求。對輸入和輸出 (LED) 電流均進(jìn)行了監視，同時(shí)提供了故障保護功能，以安然承受并報告 LED 開(kāi)路或短路情況。
圖 2：效率為 98%、功率為 50W (25V、2A) 的降壓-升壓型 LED 驅動(dòng)器具 50:1 的調光比
其內部的 4 個(gè)降壓-升壓型開(kāi)關(guān)控制器在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓時(shí)工作，從而非常適用于汽車(chē)等應用，在這類(lèi)應用中，輸入電壓在啟動(dòng) / 停止、冷車(chē)發(fā)動(dòng)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換是無(wú)縫的，從而不管電源電壓的變化范圍有多寬，都能提供良好的穩壓輸出。LT3791 的獨特設計采用了 3 個(gè)控制環(huán)路，以監視輸入電流、LED 電流和輸出電壓，并提供最佳性能和可靠性。
LT3791 運用 4 個(gè)外部開(kāi)關(guān) MOSFET，可連續提供從 50W 直至超過(guò) 100W 的 LED 功率，效率高達 98%，如圖 3 所示。在以傳統方式供電的車(chē)輛中，高效率是非常重要，因為可最大限度降低對散熱器的需求，從而實(shí)現占板面積非常緊湊的扁平解決方案。而在電動(dòng)汽車(chē) (EV) 中，這種功率節省可在充電之間增加車(chē)輛運行的里程數，這是非常寶貴的。
±6% 的 LED 電流準確度確保 LED 串提供恒定照明，同時(shí) ±2% 的輸出電壓準確度可提供幾種 LED 保護功能，并使轉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 調光方法。此外，其開(kāi)關(guān)頻率可在 200 kHz 至 700 kHz 范圍內設定，或同步至一個(gè)外部時(shí)鐘。其他特點(diǎn)包括輸出斷接、輸入和輸出電流監視器以及集成的故障保護。
圖 3：圖 2 中 LED 的效率
結論
對更高性能和更高成本效益永無(wú)止境的需求驅動(dòng)了高亮度 LED 應用，尤其是對汽車(chē)前燈應用的持續加速增長(cháng)。這些需求必須由新型高亮度 LED 驅動(dòng)器 IC 來(lái)滿(mǎn)足。新型 LED 驅動(dòng)器必須提供恒定電流，無(wú)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光范圍和各種保護功能，進(jìn)而提高系統可靠性。當然，這些 LED 驅動(dòng)器電路還必須能構成占板面積非常緊湊、扁平和熱效率非常高的解決方案。幸運的是，凌力爾特不斷重新定義其 LED 驅動(dòng)器系列，以利用 LT3791 這類(lèi)高亮度 LED 驅動(dòng)器 IC 迎頭戰勝這些挑戰。此外，凌力爾特已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一個(gè)完整的大電流 LED 驅動(dòng)器 IC 系列，該系列專(zhuān)門(mén)針對汽車(chē)應用，適用于從先進(jìn)的前向照明前燈到 LCD 背光照明的各種應用。汽車(chē)照明系統持續需要更高性能的 LED 驅動(dòng)器，現在，設計師有了創(chuàng )新的 IC 解決方案來(lái)滿(mǎn)足這種需求了。 |
