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(diào)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。所以，電源解決方案必須是高效率、功能堅固和非常可靠的，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(jīng)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~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(diào)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(jīng)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，這類燈憑借其具有的50W的電功率可提供大約1，500 lm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30 lm/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，如為了不造成迎面而來的車輛看不清路況，需要準確調(diào)節(jié);工作壽命相對較短，僅為2，000小時;使用有毒的水銀蒸汽;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(jīng)成為前燈更希望使用的產(chǎn)品。5年前，已用在汽車中的高亮度LED提供50 lm/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100 lm/W功效，而且估計用不了幾年，就將超過150 lm/W的功效，從而甚至能超過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。
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)，甚至超過了汽車的壽命。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(chǎn)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(diào)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(shù)
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(diào)節(jié)。其次，驅動器IC必須提供調(diào)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?？量痰钠囯娫纯偩€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(nèi)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(jīng)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% ~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 s，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(diào)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ⅰＡ硗猓仨氃黾右粋€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 ~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(diào)節(jié)輸出電壓和LED電流。
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