應(yīng)對汽車前燈照明對高亮度LED的苛刻要求
摘要： 可以說，就驅(qū)動高亮度LED而言，要求最苛刻的應(yīng)用就是汽車前燈照明應(yīng)用，包括白天行車燈和前燈，因為這類應(yīng)用所處的是嚴酷的汽車電氣環(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，在達到所有這一切要求的同時，還要保持富有吸引力的成本結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵字： 高亮度LED，驅(qū)動器IC，LED驅(qū)動器，汽車前燈
背景
2012年，高亮度(HB)LED的市場規(guī)模預(yù)計將達到120億美元，到2015年，該市場將增長至202億美元，年復(fù)合增長率達到30.6% (數(shù)據(jù)來源：Strategies Unlimited公司)。促使LED這種顯著增長的關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域之一是LED在汽車設(shè)計中的使用。LED在汽車中的應(yīng)用范圍包括前燈、白天行車燈、剎車燈和轉(zhuǎn)向信號燈，儀表板顯示及背光照明，還有所有種類的車內(nèi)照明燈。由于客戶都有風格偏好和安全需求，幾乎所有新車型都提供LED白天行車燈 (DRL)。本田雅閣的大多數(shù)2013車型都采用了LED白天行車燈，并在旅行車型和混合動力車型中提供了LED前燈(參見圖1)。為了保持這種令人驚嘆的增長率，LED不僅必須提供更強的可靠性、更低的功耗和更緊湊的外形尺寸，而且還必須實現(xiàn)可轉(zhuǎn)向前燈、防眩調(diào)光等創(chuàng)新設(shè)計。此外，在汽車環(huán)境中，LED所有這些改進都必須優(yōu)化，同時還要承受條件相對苛刻的汽車電氣和物理環(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，同時提高總體性價比。
盡管幾年來，LED已經(jīng)用在白天行車燈、剎車燈、轉(zhuǎn)向信號燈和內(nèi)部照明中，但是特定于前燈的應(yīng)用還相對較新。目前，僅有少數(shù)量產(chǎn)車提供了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捷卡宴。有些業(yè)界估計數(shù)據(jù)表明，2012年LED前燈市場大約為10億美元，預(yù)計到2014年，該市場將超過20億美元，并繼續(xù)以指數(shù)級增長。
汽車照明系統(tǒng)設(shè)計師最大的挑戰(zhàn)之一是：怎樣優(yōu)化最新一代高亮度LED的所有優(yōu)勢。高亮度LED需要一個準確、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功能。此外，這些LED的驅(qū)動器IC必須設(shè)計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、提供堅固的功能和可靠性，同時又是非常緊湊和經(jīng)濟實惠的?？梢哉f，就驅(qū)動高亮度LED而言，要求最苛刻的應(yīng)用就是汽車前燈照明應(yīng)用，包括白天行車燈和前燈，因為這類應(yīng)用所處的是嚴酷的汽車電氣環(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，在達到所有這一切要求的同時，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/混合動力車型的LED白天行車燈和前燈
LED白天行車燈和前燈
尺寸小、壽命極長、低功耗、更強的調(diào)光能力等優(yōu)勢，是高亮度LED白天行車燈和前燈得到廣泛采用的催化劑。幾家汽車制造商 (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)計了非常獨特的白天行車燈，讓這些白天行車燈成為前燈的“眉毛”或“底線”，以此彰顯品牌的獨有魅力。這些應(yīng)用不僅從設(shè)計角度來看非常獨特，而且在提供可靠、具成本效益的解決方案時也有一些設(shè)計挑戰(zhàn)。隨著高亮度 LED 逐步用在近光和遠光前燈中，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)動力。在上世紀80 年代，鹵素燈成為業(yè)界標準，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90年代，高強度放電(HID) 氙燈成為主流，因為這類燈能提供80lm/W，從而使制造商能提供更大的總體光輸出。
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不過，氙燈也有缺點，例如：需要準確地調(diào)節(jié)，以避免使對面的車輛看不清道路;工作壽命相對短，僅為2000小時;使用有毒的水銀氣體和制造費用昂貴。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，目前的LED設(shè)計可提供100lm/W 光輸出，而且估計在接下來的幾年內(nèi)，光輸出將超過150lm/W，這甚至超過了最好的高強度放電燈。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，包括長壽命、堅固性和環(huán)保設(shè)計，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)成汽車前燈和白天行車燈有很多優(yōu)勢，產(chǎn)生了幾種積極影響。首先，LED燈從不需要更換，因為它們的可靠壽命長達10萬小時以上 (使用年限為11.5年)，超過了車輛的壽命。這就允許汽車制造商將LED燈永久性地嵌入到車身中，而無需為進行更換留出操作余地。LED燈還有助于極大地改變車輛款式，因為LED照明系統(tǒng)不需要高強度放電燈或鹵素燈所需的深度或面積。從輸入電功率提供光輸出 (以流明為單位) 時，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)。這有兩種積極影響。首先，可以耗費更少的汽車總線電功率，這在電動型汽車和混合動力型汽車中尤其重要，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，從而無需任何笨重、昂貴的散熱器。最后，通過在前燈陣列中使用高亮度LED陣列，并以電子方式進行轉(zhuǎn)向以及調(diào)光，可以很容易地設(shè)計LED陣列，并為很多不同的驅(qū)動情況而優(yōu)化照明。
設(shè)計參數(shù)
為了確保最佳性能和長工作壽命，LED需要一種有效的驅(qū)動電路。這意味著，無論輸入電壓源怎樣變化，驅(qū)動器IC都必須高效率地提供準確的DC電流并提供準確的LED電壓調(diào)節(jié)。其次，驅(qū)動器IC必須提供一種調(diào)光方法，還要提供多種保護功能，以防遭遇LED開路或短路故障。除了依靠電氣環(huán)境十分惡劣的汽車電源總線可靠地工作，驅(qū)動器IC還必須經(jīng)濟實惠，節(jié)省空間。[!--empirenews.page--]
停/啟、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，同時盡量減少二氧化碳排放量，各種可選擇的驅(qū)動技術(shù)一直在不斷發(fā)展。不論這些新技術(shù)采用的是電動混合、清潔柴油還是更傳統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動機設(shè)計，它們都有可能還需要采用停-啟馬達設(shè)計。在世界各地的所有混合動力型汽車設(shè)計中，停-啟馬達已經(jīng)普遍存在了，很多歐洲和亞洲的汽車制造商也已經(jīng)在傳統(tǒng)的汽油和柴油汽車中采用了這類停-啟設(shè)計。福特汽車公司不久前在美國宣布，將在即將推出面向美國國內(nèi)市場的車型中采用停-啟系統(tǒng)。
就發(fā)動機而言，停-啟系統(tǒng)的概念簡單易懂，當車輛停止時，發(fā)動機關(guān)閉，然后當要求車輛再次移動時，發(fā)動機立即重新啟動。在車輛停在車流中或停在紅燈處時，這可以節(jié)省燃油，減少尾氣排放。這種停-啟設(shè)計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)計的最大挑戰(zhàn)是，不讓駕駛員感覺到整個停-啟過程。要想讓駕駛員感覺不到停-啟動作，會遇到兩個主要的設(shè)計障礙。第一個是快速重啟。有些制造商利用增強的啟動器設(shè)計，已經(jīng)將重啟時間縮短至不到0.5s，從而使重啟過程真正不被感覺到。第二個設(shè)計挑戰(zhàn)是，當發(fā)動機關(guān)閉時，保持車中所有電子系統(tǒng)正常運行，包括由電池直接供電的空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng);同時保持足夠的電力儲備，以在要加速時快速重啟發(fā)動機。
為了納入停-啟功能，動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計需要進行一些修改。也就是說，原來的交流發(fā)電機可能還要兼作增強的發(fā)動機啟動器，以確?？焖僦貑?。此外，必須增加一個停-啟電子控制單元 (ECU)，以控制發(fā)動機何時以及怎樣啟動和停止。在發(fā)動機 / 交流發(fā)電機關(guān)閉時，電池必須能給車燈、環(huán)境控制以及其他電子系統(tǒng)供電。另外，當發(fā)動機需要再次啟動時，電池必須能給啟動器供電。這種極端的電池加載要求又引入了另一個設(shè)計挑戰(zhàn)，這是一個電氣方面的挑戰(zhàn)，因為重啟發(fā)動機需要吸取很大的電流，這可能暫時將電池電壓拉低至 6V。對于LED驅(qū)動器的挑戰(zhàn)是，當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)時返回13.8V標稱值時，連續(xù)提供良好穩(wěn)定的輸出電壓和LED電流。
汽車發(fā)動機處于寒冷或冰凍溫度中一段時間以后，會發(fā)生冷車發(fā)動情況。發(fā)動機油變得極度粘稠，需要發(fā)動機啟動器提供更大的扭矩，這又需要從電池吸取更大的電流。這種大的負載電流可能在一點火時，將電池/主總線電壓拉至低于6V，之后，該電壓一般會返回到13.8V的標稱值。
當電池電纜意外斷接而交流發(fā)電機仍然在給電池充電時，就會發(fā)生負載突降。當電池電纜連接松動而汽車正在運行，或者當電池電纜斷開而汽車正在運轉(zhuǎn)，都會發(fā)生這種負載突降情況。這種電池電纜的突然斷接可能導致高達60V的瞬態(tài)電壓尖峰，因為交流發(fā)電機試圖全力給一個已經(jīng)不在的電池充電。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，并吸收大部分浪涌;不過，交流發(fā)電機下游的DC/DC轉(zhuǎn)換器和LED驅(qū)動器會遭遇高達36V的瞬態(tài)電壓尖峰。人們不僅期望這些LED驅(qū)動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，這些LED驅(qū)動器還必須連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓和LED電流。
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短路保護
就白天行車燈和前燈而言，單串高亮度LED串中包括6到20個LED。由于標稱輸入電壓為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)動器架構(gòu)，因為這種架構(gòu)比 SEPIC或降壓-升壓型設(shè)計效率更高、更簡單和具成本效率。不過，直到不久前，升壓型架構(gòu)一直難以抵御短路的影響。在汽車應(yīng)用中這一點尤其重要，因為LED在前端碰撞中容易被損壞，而且任何電弧都可能點燃濺出的汽油。由于這個原因，過去大多數(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能力。然而，隨著新的和具備非常堅固保護能力的升壓型LED驅(qū)動器的出現(xiàn)，未來的應(yīng)用將會采用這種設(shè)計，以提供效率更高和具成本效益的解決方案。
EMI問題
降低LED驅(qū)動器的任何電磁干擾(EMI)都有利于電源總線的總體設(shè)計。因為LED驅(qū)動器通常是基于開關(guān)穩(wěn)壓器的，所以降低開關(guān)噪聲是人們所希望的。這可以通過采用擴展頻譜頻率調(diào)制來實現(xiàn)。正如在圖2中可以看到的那樣，這種調(diào)制方法通過在較寬的頻率范圍內(nèi)擴展頻譜，將輸出開關(guān)噪聲降低了20dB，從而極大地減輕了EMI問題。
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
一種新的汽車高亮度LED驅(qū)動器控制器
幸運的是，對這些困境有一種新的解決方案，那就是凌力爾特公司的LT3795 LED驅(qū)動器。LT3795是一款升壓型DC/DC LED驅(qū)動器，可提供超過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、商用卡車甚至航空系統(tǒng)中的多種高亮度LED應(yīng)用。其高壓側(cè)電流檢測設(shè)計可配置為升壓模式、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)動多種單串LED，同時在升壓型設(shè)計中，能提供非常堅固和簡單的短路保護。
一種典型的50W前燈應(yīng)用如圖3所示。這個應(yīng)用采用了升壓型架構(gòu)，以提供高達87V的LED電壓，該電壓能以超過600mA的LED電流驅(qū)動多達20個LED。大多數(shù)白天行車燈都采用8到15個 LED，電流在350mA范圍內(nèi)，而近光前燈會采用約為50V的1A LED，遠光前燈則可能采用高達2A和50V。LT3795可用于所有這些應(yīng)用。
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圖3：具備輸入電流限制和擴展頻譜頻率調(diào)制、效率為93%、功率為50W (87V、575mA)的降壓型LED驅(qū)動器
LT3795采用高壓側(cè)電流檢測方法，從而使該器件能用于升壓型、降壓型、降壓-升壓型或SEPIC和反激式拓撲。此外，LT3795提供輸入和輸出電流限制及監(jiān)視，以增強可靠性和設(shè)計靈活性。LT3795 在升壓模式還可以提供超過94%的效率，從而最大限度地減小了對外部散熱器的需求。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，同時最大限度地減小外部組件的尺寸和成本。還可以啟動擴展頻譜頻率調(diào)制，以通過將開關(guān)頻率降低20dB來改善電磁兼容性。[!--empirenews.page--]
LT3795集成了短路保護功能，當檢測到短路時，該功能使穩(wěn)壓器停止切換，并斷開LED陣列與電源通路的連接。此外，該器件還通過SHORTLED引腳報告短路情況。在短路保護啟動以后，可以設(shè)定LT3795以運用“打嗝” (Hiccup) 模式，看短路是否已得到糾正，或運用鎖斷模式，該模式要求切換EN/ULVO以重新啟動該器件。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)用提供了非常堅固的短路保護。此外，LT3795還提供LED開路保護并報告開路情況，這樣如果一串LED中的某個LED開路了，這些LED就不會被損壞。
LT3795提供±3%的LED電流準確度，這可確保用在一個LED串提供恒定照明，同時該器件±2%的輸出電壓準確度允許提供幾種LED保護功能，還使轉(zhuǎn)換器能作為衡定電壓源工作。LT3795可運用PWM調(diào)光提供高達3000:1的調(diào)光比，或提供調(diào)光比高達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。該器件的高集成度和耐熱增強型TSSOP-28封裝可構(gòu)成非常緊湊的高亮度LED驅(qū)動器解決方案。
圖4：采用 LT3795的圖3所示電路之LED效率
Efficiency vs VIN：效率隨VIN的變化
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圖5：圖3所示電路在打嗝模式和鎖斷模式的短路保護
Hiccup Mode：打嗝模式
Latchoff Mode：鎖斷模式
Latchoff Mode：鎖斷模式
結(jié)論
對更高性能和更高性價比永無止境的需求，促進了高亮度LED應(yīng)用的持續(xù)加速增加，尤其是在汽車白天行車燈和前燈中的LED應(yīng)用。這種需求必須要有新的高亮度LED驅(qū)動器IC才能滿足。這些LED驅(qū)動器必須提供恒定電流，無論輸入電壓或LED正向電壓怎樣變化，都能保持一致的亮度，同時這些LED驅(qū)動器還必須以高效率工作、提供非常寬的調(diào)光范圍、以及各種保護功能 (例如: 短路和開路保護) 以提高系統(tǒng)可靠性。當然，這種LED驅(qū)動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。幸運的是，凌力爾特公司不斷地重新定義LED驅(qū)動器系列，以憑借LT3795等高亮度LED驅(qū)動器IC應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。此外，我們已經(jīng)開發(fā)了一個完整的大電流LED驅(qū)動器IC系列，該系列專門針對汽車應(yīng)用，從先進的前向照明前燈到LCD背光照明，可用于多種應(yīng)用。在汽車照明系統(tǒng)不斷要求性能更高的LED驅(qū)動器之際，設(shè)計師有了創(chuàng)新的IC解決方案以滿足他們的要求。
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