背景
今天，就連汽車的定義也在不斷演變，變化之多遠勝以往。過去 100 年中，采用內燃動力傳動系統(tǒng)的汽車一直占據主導地位，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，這一數字將增長到 202 億美元。年復合增長率為 30.6% (數據來源：Strategies Unlimited)。驅動這種顯著增長的主要應用領域之一是 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光。此外，在汽車環(huán)境中，所有這些改進都必須進行優(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、轉向信號燈和內部照明已經好幾年了，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，2011 年 LED 前燈市場大約為 10 億美元，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，還需要調光，所以 LED 驅動器 IC 必須設計成能在多種條件下滿足這些要求。結果，電源解決方案必須是高效率、功能堅固和非�？煽�，同時還要非常緊湊并具有高成本效益�？梢哉f，就驅動高亮度 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 至 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)展的主要驅動力。上世紀 80 年代，鹵素燈是業(yè)界標準，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，例如：為了不造成迎面而來的車輛看不清路況，需要準確調節(jié)；工作壽命相對較短，為 2000 小時；使用有毒的水銀蒸氣；制造費用很高。隨著高亮度 LED 的功效持續(xù)提高，這類 LED 已經成為前燈應用更希望使用的產品。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用，然而現(xiàn)在的 LED 設計提供 100lm/W 功效，而且估計用不了幾年，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。
圖 1：已用在汽車中的 LED 前燈
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)，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
為了確保最佳性能和較長的工作壽命，LED 需要有效的驅動電路。不管輸入電壓源的變化范圍有多寬，這些驅動器 IC 都必須提供準確、高效率的 DC 電流源和準確的 LED 電壓調節(jié)。其次，驅動器 IC 必須提供調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% 至高達 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 秒，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�？焖僦貑ⅲ硗�，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)電機仍然在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 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 驅動器不僅不被損壞，還必須持續(xù)調節(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 驅動器
幸運的是，對這些難題已經有了新的解決辦法，那就是凌力爾特的 LT3791 LED 驅動器。LT3791 是一款同步降壓-升壓型 DC/DC LED 驅動器和電壓控制器，可提供超過 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、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 至 60V 的范圍內設定，從而能驅動多種單串 LED。
典型的 50W 前燈應用如圖 2 所示。這個應用運用單個電感器，以在 2A 時準確地調節(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 調光比，非常適合于滿足防眩目自動調光要求。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 2：效率為 98%、功率為 50W (25V、2A) 的降壓-升壓型 LED 驅動器具 50:1 的調光比
其內部的 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 直至超過 100W 的 LED 功率，效率高達 98%，如圖 3 所示。在以傳統(tǒng)方式供電的車輛中，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，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 ±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，其開關頻率可在 200 kHz 至 700 kHz 范圍內設定，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 3：圖 2 中 LED 的效率
結論
對更高性能和更高成本效益永無止境的需求驅動了高亮度 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 驅動器 IC 來滿足。新型 LED 驅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 驅動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 驅動器系列，以利用 LT3791 這類高亮度 LED 驅動器 IC 迎頭戰(zhàn)勝這些挑戰(zhàn)。此外，凌力爾特已經開發(fā)出了一個完整的大電流 LED 驅動器 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。 |
