背景

如今汽車的定義在不斷演變，變化之多遠(yuǎn)勝以往。在過去100年里，采用內(nèi)燃動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的汽車一直占據(jù)主導(dǎo)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(tǒng)。可是現(xiàn)在，從純電動(dòng)型(EV)到高效率內(nèi)燃傳動(dòng)系統(tǒng)，再到大量組合式傳動(dòng)系統(tǒng) (常稱為混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng))，我們有了多種汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。所有這些設(shè)計(jì)都有一個(gè)共同的目標(biāo)，即提高燃油效率，同時(shí)減少碳排放量。新型動(dòng)力總成設(shè)計(jì)包括直接燃料噴射、渦輪增壓、引擎停止/啟動(dòng)系統(tǒng)、再生制動(dòng)、乙醇含量較高的燃料以及較清潔的柴油燃燒。隨著混合動(dòng)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(jìn)步，但是汽車設(shè)計(jì)有一方面仍相對(duì)地穩(wěn)定，那就是為了在夜間或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(chǎn)生所需光照的方法也從采用鹵素?zé)艮D(zhuǎn)變?yōu)椴捎酶邚?qiáng)度放電(HID)燈，最近又在向基于高亮度(HB) LED的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)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(yù)計(jì)將達(dá)到120億美元，到2015年，這一數(shù)字將增長到202億美元。年復(fù)合增長率為30.6% (數(shù)據(jù)來源：Strategies Unlimited)。驅(qū)動(dòng)這種顯著增長的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一就是LED應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)。汽車應(yīng)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(nèi)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(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，例如可操控的汽車前照燈和防眩目調(diào)光。此外，在汽車環(huán)境中，必須對(duì)所有這些改進(jìn)都進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)還要承受相對(duì)嚴(yán)酷的汽車電氣及物理環(huán)境的考驗(yàn)。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用于白天行車燈、剎車燈、轉(zhuǎn)向信號(hào)燈和內(nèi)部照明已有幾年了，但是特定于前燈的應(yīng)用仍然相對(duì)較少，只有少數(shù)投產(chǎn)車型提供LED前燈。有人估計(jì)，2011年LED前燈市場大約為10億美元，到2014年預(yù)計(jì)將超過20億美元。

汽車照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shì)。因?yàn)楦吡炼萀ED一般需要準(zhǔn)確、高效率的DC電流源，還需要調(diào)光，所以LED 驅(qū)動(dòng)器IC必須設(shè)計(jì)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(jiān)固和非?？煽康模瑫r(shí)還要非常緊湊并具有高成本效益?？梢哉f，就驅(qū)動(dòng)高亮度LED 而言，要求最苛刻的應(yīng)用之一是汽車前燈應(yīng)用，因?yàn)檫@類應(yīng)用要經(jīng)受苛刻的汽車電氣環(huán)境的考驗(yàn)，必須提供大功率，一般在50W~75W之間，還必須能裝進(jìn)空間非常受限的外殼中，同時(shí)在滿足所有這些要求的情況下，還要保持有吸引力的成本結(jié)構(gòu)。

汽車 LED 前燈

高亮度LED前燈有眾多優(yōu)勢(shì)，例如尺寸小、壽命極長、功耗低以及增強(qiáng)了調(diào)光功能，這些優(yōu)勢(shì)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(shè)計(jì)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(shí)候，就知道開過來的是哪個(gè)品牌的車。從設(shè)計(jì)的角度來說，這些應(yīng)用獨(dú)具特色，而且與近光和遠(yuǎn)光前燈相比，這些應(yīng)用面臨的設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)力。上世紀(jì)80年代，鹵素?zé)羰菢I(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，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(zhuǎn)換成功效 (每瓦光輸出) 就是30 lm/W。上世界 90 年代中期，高強(qiáng)度放電 (HID) 氙燈成為主流，因?yàn)檫@類燈能提供高達(dá)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(diǎn)，如為了不造成迎面而來的車輛看不清路況，需要準(zhǔn)確調(diào)節(jié)；工作壽命相對(duì)較短，僅為2，000小時(shí)；使用有毒的水銀蒸汽；制造費(fèi)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(yīng)用，然而現(xiàn)在的LED設(shè)計(jì)提供100 lm/W功效，而且估計(jì)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(qiáng)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(jiān)固性和環(huán)保設(shè)計(jì)，這些都使得用LED構(gòu)成新一代前燈非常有吸引力。

在汽車前燈中使用LED有幾項(xiàng)積極意義。首先，這些LED燈永遠(yuǎn)不需要更換，因?yàn)樗鼈兊目煽繅勖L達(dá) 10萬小時(shí)以上 (相當(dāng)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(shè)計(jì)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?yàn)長ED照明系統(tǒng)不需要高強(qiáng)度放電燈或鹵素?zé)裟敲创蟮纳疃然蛎娣e。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?zé)舻男矢?(而且不久就將超過高強(qiáng)度放電燈)。這會(huì)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(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車中，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(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(duì)LED陣列進(jìn)行電子控制或調(diào)光，LED前燈可以非常容易地設(shè)計(jì)成可為很多不同的行車條件優(yōu)化照明。

設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)電路。不管輸入電壓源的變化范圍有多寬，這些驅(qū)動(dòng)器IC都必須提供準(zhǔn)確、高效率的DC電流源和準(zhǔn)確的LED電壓調(diào)節(jié)。其次，驅(qū)動(dòng)器IC必須提供調(diào)光方法和多種保護(hù)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(qū)動(dòng)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(dòng)、冷車發(fā)動(dòng)和負(fù)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(qū)動(dòng)技術(shù)在不斷演變。無論這些新技術(shù)納入了混合電動(dòng)、清潔柴油還是更傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)，它們都有可能采用停止-啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)在全世界幾乎所有的混合動(dòng)力汽車中已十分普遍，停止-啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)。

就發(fā)動(dòng)機(jī)而言，停止-啟動(dòng)系統(tǒng)的概念很容易理解，當(dāng)車輛停止時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，然后在要求車輛再次開動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)立即重新啟動(dòng)。這樣一來，當(dāng)汽車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(shè)計(jì)可將燃油消耗量和碳排放量降低5% ~10%。不過，此類設(shè)計(jì)所面臨的最大挑戰(zhàn)是：怎樣使整個(gè)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(shè)計(jì)障礙：第一個(gè)是快速重啟時(shí)間。有些制造商利用增強(qiáng)的啟動(dòng)器設(shè)計(jì)，將重啟時(shí)間降至不到0.5 s，從而使重啟真正感覺不到；第二個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是，在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)，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(shí)仍然保持足夠的電池電量儲(chǔ)備，以在加速時(shí)快速重啟發(fā)動(dòng)機(jī)。

為了納入停止-啟動(dòng)功能，的確需要對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行一些修改。過去的交流發(fā)電機(jī)也許還要用作增強(qiáng)的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器，以確?？焖僦貑ⅰＡ硗?，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(jī)何時(shí)以及怎樣啟動(dòng)和停止。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)/交流發(fā)電機(jī)關(guān)閉時(shí)，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(dāng)再次需要發(fā)動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，這一次是電氣方面的挑戰(zhàn)，因?yàn)橹貑l(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)LED驅(qū)動(dòng)器的挑戰(zhàn)是，當(dāng)電池總線電壓短暫下降至5V，然后返回標(biāo)稱的13.8V(這時(shí)充電器返回穩(wěn)定狀態(tài))時(shí)，持續(xù)提供良好穩(wěn)定的輸出電壓和LED電流。

當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)處于寒冷或冰凍溫度一段時(shí)間后，會(huì)發(fā)生“冷車發(fā)動(dòng)”情況，在這種情況下，機(jī)油變得極度黏滯，需要發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器提供更大的扭矩，這又導(dǎo)致從電池吸取更大的電流。這么大的負(fù)載電流可能在點(diǎn)火時(shí)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(biāo)稱的13.8V。就發(fā)動(dòng)機(jī)控制、行車安全和導(dǎo)航系統(tǒng)等應(yīng)用而言，在發(fā)生冷車發(fā)動(dòng)情況時(shí)，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(dòng)時(shí)，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(jī)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)意外斷接，則將發(fā)生“負(fù)載突降”的情況。當(dāng)電池電纜在汽車工作時(shí)出現(xiàn)松動(dòng)或者電池電纜在汽車行駛時(shí)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(dǎo)致高達(dá)60V的瞬態(tài)電壓尖峰，因?yàn)榻涣靼l(fā)電機(jī)試圖給不存在的電池完全充電。交流發(fā)電機(jī)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(jī)下游的DC/DC轉(zhuǎn)換器和LED驅(qū)動(dòng)器要承受高達(dá)36V的瞬態(tài)電壓尖峰。在這類瞬態(tài)事件發(fā)生時(shí)，要求這些LED驅(qū)動(dòng)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。

一種面向汽車應(yīng)用的同步降壓-升壓型高亮度LED驅(qū)動(dòng)器

幸運(yùn)的是，對(duì)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(qū)動(dòng)器。LT3791是一款同步降壓-升壓型DC/DC LED驅(qū)動(dòng)器和電壓控制器，可提供超過100W的LED功率，其4.7V ~60V的輸入電壓范圍使該器件非常適用于多種應(yīng)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 ~ 60V的范圍內(nèi)設(shè)定，從而能驅(qū)動(dòng)多種單串LED。

典型的50W前燈應(yīng)用如圖1所示。這個(gè)應(yīng)用運(yùn)用單個(gè)電感器，以在電流為2A時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)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(diào)光比，非常適用于滿足防眩目自動(dòng)調(diào)光要求。對(duì)輸入和輸出(LED)電流均進(jìn)行了監(jiān)視，同時(shí)提供了故障保護(hù)功能，以安然承受并報(bào)告LED開路或短路情況。

圖 1，效率為98%、功率為50W (25V、2A)的降壓-升壓型LED驅(qū)動(dòng)器具50:1的調(diào)光比。

其內(nèi)部的4個(gè)降壓-升壓型開關(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等應(yīng)用。在這類應(yīng)用中，輸入電壓在啟動(dòng)/停止、冷車發(fā)動(dòng)和負(fù)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(zhuǎn)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(dú)特設(shè)計(jì)采用了3個(gè)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(yùn)用4個(gè)外部開關(guān)MOSFET，可連續(xù)提供從50W ~100W的LED功率，效率高達(dá)98%，如圖2所示。在以傳統(tǒng)方式供電的車輛中，高效率非常重要，因?yàn)榭勺畲笙薅冉档蛯?duì)散熱器的需求，從而實(shí)現(xiàn)占板面積非常緊湊的扁平解決方案。而在電動(dòng)汽車(EV)中，這種功率節(jié)省可在充電之間增加車輛運(yùn)行的里程數(shù)，這是非常寶貴的。

±6%的LED電流準(zhǔn)確度確保為LED串提供恒定照明，同時(shí)±2%的輸出電壓準(zhǔn)確度可提供幾種LED保護(hù)功能，并使轉(zhuǎn)換器能作為恒定電壓源工作。LT3791可按照應(yīng)用要求，采用模擬或PWM調(diào)光方法。此外，其開關(guān)頻率可在200 kHz ~700 kHz 范圍內(nèi)設(shè)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(jiān)視器以及集成的故障保護(hù)。

圖 2，圖 1 中LED的效率。

EFFICIENCY：效率 INPUT VOLTAGE：輸入電壓 BOOST：升壓

BUCK-BOOST：降壓-升壓 BUCK：降壓

結(jié)論

對(duì)更高性能和更高成本效益永無止境的需求驅(qū)動(dòng)了高亮度LED應(yīng)用，尤其是對(duì)汽車前燈應(yīng)用的持續(xù)加速增長。這些需求必須由新型高亮度LED驅(qū)動(dòng)器IC來滿足。新型LED驅(qū)動(dòng)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(diào)光范圍和各種保護(hù)功能，進(jìn)而提高系統(tǒng)可靠性。當(dāng)然，這些 LED驅(qū)動(dòng)器電路還必須能使構(gòu)成占板的面積非常緊湊、扁平和熱效率非常高。凌力爾特不斷重新定義其LED驅(qū)動(dòng)器系列，以利用LT3791這類高亮度LED驅(qū)動(dòng)器IC以戰(zhàn)勝這些挑戰(zhàn)。此外，凌力爾特已經(jīng)開發(fā)出了一個(gè)完整的大電流LED驅(qū)動(dòng)器IC系列，該系列專門針對(duì)汽車應(yīng)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(yīng)用。汽車照明系統(tǒng)持續(xù)需要更高性能的LED驅(qū)動(dòng)器，現(xiàn)在設(shè)計(jì)師有了創(chuàng)新的IC解決方案來滿足這種需求了。

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