汽车前灯所用的降压-升压型LED驱动器

汽车前灯所用的降压-升压型LED驱动器

　　今天，就连汽车的定义也在不断演变，变化之多远胜以往。过去 100 年中，采用内燃动力传动系统的汽车一直占据主导地位，主要由汽油提供动力，还有少量的柴油动力传动系统。

　　可是现在，从纯电动型 (EV) 到高效率内燃传动系统，再到大量组合式传动系统 (常称为混合动力传动系统)，我们有了多种汽车动力传动系统。所有这些设计都有一个共同的目标，即提高燃油效率，同时减少碳排放量。新型动力总成设计包括直接燃料喷射、涡轮增压、引擎停止/启动系统、再生制动、乙醇含量较高的燃料以及较清洁的柴油燃烧。随着混合动力型汽车的开发，汽车变得更加依赖较清洁的电力来源了。尽管取得了如此大的进步，但是汽车设计有一方面相对地稳定，那就是为了在夜间或在天气条件不够完美的情况下行车，需要提供前向照明。此外，产生所需光照的方法也从采用卤素灯转变为采用高强度放电 (HID) 灯，最近又在向基于高亮度 (HB) LED 的设计转变，从而为高亮度 LED 开拓了一条增长之路。

　　今年，高亮度 LED 的市场规模预计将达到 120 亿美元，到 2015 年，这一数字将增长到 202 亿美元。年复合增长率为 30.6% (数据来源：Strategies Unlimited)。驱动这种显著增长的主要应用领域之一是 LED 应用于汽车设计。汽车应用包括前灯、白天行车灯和刹车灯以及仪表板显示器背光照明和所有车内梳妆照明灯。不过，为了保持如此显著的增长率，LED 必须提供更高的可靠性、更低的功耗和更紧凑的外形尺寸，而且还必须能实现创新性设计，例如可操控的汽车前照灯和防眩目调光。此外，在汽车环境中，所有这些改进都必须进行优化，同时还要承受相对严酷的汽车电气及物理环境的考验。不言而喻，这些解决方案必须提供非常扁平的外形和紧凑的占板面积，同时提高总体成本效益。

　　尽管 LED 用于白天行车灯、刹车灯、转向信号灯和内部照明已经好几年了，但是特定于前灯的应用仍然相对较少。目前，只有少数投产车型提供 LED 前灯，其中包括奥迪 (Audi) A8和 R8、雷克萨斯 (Lexus) LS600h 和 RX450h、丰田普锐斯 (Toyota Prius) 和凯迪拉克凯雷德 (Cadillac Escalade)。有人估计，2011 年 LED 前灯市场大约为 10 亿美元，2014 年预计将超过 20 亿美元。

　　汽车照明系统设计师面临的最大挑战之一是，如何最大限度地发挥最新一代高亮度 LED的所有优势。因为高亮度 LED 一般需要准确、高效率的 DC 电流源，还需要调光，所以 LED驱动器 IC 必须设计成能在多种条件下满足这些要求。结果，电源解决方案必须是高效率、功能坚固和非常可靠，同时还要非常紧凑并具有高成本效益。可以说，就驱动高亮度 LED 而言，要求最苛刻的应用之一是汽车前灯应用，因为这类应用要经受苛刻的汽车电气环境的考验，必须提供大功率，一般在 50W 至 75W 之间，还必须能装进空间非常受限的外壳中，同时在满足所有这些要求的情况下，还要保持有吸引力的成本结构。

　　汽车 LED 前灯

　　高亮度 LED 前灯有众多优势，例如尺寸小、寿命极长、功耗低以及增强了调光功能，这些优势成为高亮度 LED 前灯得到广泛采用的催化剂。一些汽车制造商，包括奥迪、奔驰以及最近加入的雷克萨斯，都已经用 LED 设计了与众不同的行车灯，这些灯围绕在前灯周围，如果把前灯比作眼睛，那么这些行车灯就像眉毛一样，制造商这么做是为了突出品牌特色，让人们还没看清车是什么样子的时候，就知道开过来的是哪个品牌的车。从设计的角度来说，这些应用独具特色，而且与近光和远光前灯相比，这些应用面临的设计挑战也不同。

　　我们都知道，前灯的主要功能是，在夜间或天气条件不够理想的情况下 (例如在雨、雪和雾天) 提供前向照明。需要更高的照明度一直是前灯发展的主要驱动力。上世纪 80 年代，卤素灯是业界标准，这类灯凭 50W 的电功率可提供大约 1500 流明的光输出，与其前几代产品相比，光输出提高了 50%。这一光输出转换成功效 (每瓦光输出) 就是每瓦 30 流明 (即 30lm/W)。上世界 90 年代中期，高强度放电 (HID) 氙灯成为主流，因为这类灯能提供高达 80 lm/W 的光输出，从而使制造商能提供更大的总体光输出。不过，氙灯也有缺点，例如：为了不造成迎面而来的车辆看不清路况，需要准确调节;工作寿命相对较短，为 2000 小时;使用有毒的水银蒸气;制造费用很高。随着高亮度 LED 的功效持续提高，这类 LED 已经成为前灯应用更希望使用的产品。5 年前，已用在汽车中的高亮度 LED 提供 50lm/W 功效，这还不足以用于前灯应用，然而现在的 LED 设计提供 100lm/W 功效，而且估计用不了几年，就将超过 150lm/W 的功效，从而超过甚至最好的高强度放电灯。LED 能提供大约同样的每瓦光输出量，而且还具有其他益处，例如长寿命、坚固性和环保设计，这些都使得用 LED 构成新一代前灯非常有吸引力。　　

　　在汽车前灯中使用 LED 有几项积极意义。首先，这些 LED 灯永远不需要更换，因为它们的可靠寿命长达 10 万小时以上 (相当于 11 年半的使用年限)，这超过了汽车的寿命。因此汽车制造商可以将 LED 永久性地嵌入到前灯设计中，而无需为更换留出余地。这还使汽车款式能得到极大的改变，因为 LED 照明系统不需要高强度放电灯或卤素灯那么大的深度或面积。在靠输入电功率提供光输出 (以流明量度) 方面，高亮度 LED 灯还比卤素灯的效率高 (而且不久就将超过高强度放电灯)。这会产生两种积极影响。首先，LED 灯从汽车总线吸取更少的电功率，在电动汽车和混合动力汽车中，这一点尤其重要。同样重要的是，LED 灯降低了需要在照明系统中散出的热量，从而无需笨重、昂贵的散热器。最后，通过使用高亮度 LED 阵列以及对 LED 阵列进行电子控制或调光，LED 前灯可以非常容易地设计成可为很多不同的行车条件优化照明。

　　设计参数

　　为了确保最佳性能和较长的工作寿命，LED 需要有效的驱动电路。不管输入电压源的变化范围有多宽，这些驱动器 IC 都必须提供准确、高效率的 DC 电流源和准确的 LED 电压调节。其次，驱动器 IC 必须提供调光方法和多种保护功能，以防遇到 LED 开路或短路故障。除了能靠电气环境非常苛刻的汽车电源总线可靠工作，驱动器 IC 还必须具有高成本效益并有效利用空间。

　　汽车电子瞬态造成的挑战：停止 / 启动、冷车发动和负载突降情况

　　为了最大限度地提高燃油里程，同时尽量降低碳排放量，可选择的动力驱动技术在不断演变。无论这些新技术纳入了混合电动、清洁柴油还是更传统的内燃机设计，它们都有可能采用停止-启动电动机设计。这种设计在全世界几乎所有的混合动力汽车中已十分普遍，停止-启动电动机设计已经普遍存在，很多欧洲和亚洲的汽车制造商也一直在将这种设计纳入传统的汽油和柴油车辆中。美国福特汽车公司已宣布，将在很多面向美国市场的 2012 车型中，采用停止-启动系统。