《電子技術(shù)應(yīng)用》
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汽車 LED 前燈不斷演變

2016-07-06
作者:凌力爾特公司 電源產(chǎn)品部 產(chǎn)品市場總監(jiān) Tony Armstrong
關(guān)鍵詞: 凌力爾特 鎢絲燈泡 EPA LED

  背景信息

  如果您和我年齡相仿,您可能仍然記得傳統(tǒng)鎢絲燈泡。我之所以這么說是因?yàn)?,多?shù)美國家庭過去通常使用的 40W 和 60W 白熾燈,從 2013 年末已經(jīng)禁止在美國生產(chǎn)或向美國進(jìn)口了 (不過這種燈仍然可以買到)。還有一件事也應(yīng)該提到,75W 和 100W 照明燈 2012 年已經(jīng)淘汰了。這些燈遭到淘汰的原因是,美國環(huán)境保護(hù)署 (EPA) 要求提高電-光輸出功效。這么要求的主要理由是,有助于降低電耗 (因此降低了發(fā)電量),因?yàn)槭聦?shí)上,美國住宅照明約占美國電力消耗的 14% (數(shù)據(jù)來源: Energy Information Administration)。固態(tài) LED 照明燈僅需要約 1/8 的電力,就可產(chǎn)生同等流明的光輸出,因此 LED 燈已經(jīng)成功進(jìn)入了我們今天的世界。

  照明燈從白熾燈到固態(tài)電子燈的演變過程與目前發(fā)生在汽車行業(yè)中的車輛照明的轉(zhuǎn)變類似。盡管紅光 LED 燈已經(jīng)用在尾燈中 10 多年了,但是只是在最近,汽車內(nèi)部和前向照明系統(tǒng)的變化才導(dǎo)致 LED 燈的采用率出現(xiàn)了顯著提高。例如,超過 70% 的汽車內(nèi)部指示燈和超過 45% 的儀表顯示器背光照明采用了 LED 燈。相比之下,目前 55% 的白天行車燈 (DRL) 和大約 5% 的前燈采用了 LED 燈。盡管前燈 (近光、遠(yuǎn)光、霧燈) 代表著最大的商機(jī),但也是滲透率最低的市場,很多人發(fā)現(xiàn)了這一矛盾,我就是其中之一。出現(xiàn)這種明顯矛盾的主要原因之一是成本,汽車制造商無法以消費(fèi)者愿意支付的價(jià)格提供 LED 前燈。

  汽車前燈

  在探討前燈采用率低的背景原因之前,了解一下為什么很多駕駛員甚至原始設(shè)備制造商都偏愛 LED 照明解決方案,而這是很有用的。LED 照明解決方案受到偏愛的原因包括但不限于以下各項(xiàng):

  ·性能和設(shè)計(jì)靈活性 ―  LED 外形尺寸小,因此提供了設(shè)計(jì)靈活性,LED 還提供范圍很大的調(diào)光能力。記住,人眼對光輸出的微小偏差是非常敏感的。

  ·節(jié)能和較低的二氧化碳排放量 ―  LED 不僅具備較高的功效,因而降低了為它們供電所需的能量,而且還具備顯著地延長的生命周期。

  ·成本 ―  這個(gè)特點(diǎn)似乎與直覺相悖,但是在非前燈應(yīng)用中,成本持續(xù)下降、耐用性和卓越的質(zhì)量已經(jīng)使 LED 成為最終消費(fèi)者價(jià)值的新標(biāo)準(zhǔn)。

  ·監(jiān)管 ―  很多政府法規(guī)規(guī)定了對白天行車燈和前燈以及其他照明應(yīng)用的要求,這些法規(guī)導(dǎo)致對 LED 照明的需求增大了。

  奧迪被普遍認(rèn)為是 LED 應(yīng)用的領(lǐng)導(dǎo)者,我想,任何人對這一點(diǎn)都不會感到驚訝,因?yàn)閵W迪在幾乎任何外部汽車照明應(yīng)用中都使用了 LED。任何人在后視鏡中看到奧迪著名的“眼眉”白天行車燈,都會覺得非常引人注目。此外,奧迪是第一家使用 LED 前燈的汽車制造商,用在了 2004 年的奧迪 R8 中。

  那么, LED 前燈為什么沒有像用于其他形式汽車照明的 LED 那樣流行起來呢? 答案當(dāng)然是成本。可以取代 LED 前燈的其他產(chǎn)品包括:白熾燈、鹵素?zé)艋蚋呙芏确烹?(HID) 氙氣燈。可比 LED 燈的價(jià)格可能比鹵素前燈 (1962 年首先在歐洲推出,但直到 1978 年才在美國得到采用) 高 100%,比 HID氙氣燈 (要實(shí)現(xiàn)與 HID 氙氣前燈可比的性能,需要一個(gè)比更低性能鹵素?zé)魞r(jià)格高得多的 LED 解決方案) 高 1.5 倍。順便提一句,首款 HID 氙氣前燈出現(xiàn)于 1991 年的寶馬 7 系列中。

  一般而言,LED 前燈的亮度介于鹵素?zé)艉?HID 燈之間,但是 LED 燈的光線聚焦度高得多,而且還可以控制產(chǎn)生不同形狀。此外,由于 LED 燈尺寸很小,因此允許使用各種擺放和安裝方式,汽車制造商能夠開發(fā)各種形狀的 LED 燈和組裝方法,以完美地與車型相配。盡管 LED 發(fā)光時(shí)不產(chǎn)生熱量,但是通電時(shí),在它們的發(fā)射器底部確實(shí)產(chǎn)生一定的熱量,因此對相鄰組件和連接電纜造成了潛在風(fēng)險(xiǎn)。由于這個(gè)原因,LED 前燈需要冷卻系統(tǒng) (例如散熱器或風(fēng)扇) 以避免熔化。此外,這類冷卻系統(tǒng)位于發(fā)動機(jī)艙內(nèi),對于其他一些需要保持合適溫度的系統(tǒng)而言,發(fā)動機(jī)艙不是個(gè)太涼爽的區(qū)域。這是 LED 前燈更難以設(shè)計(jì)、更難以在汽車中采用的另一個(gè)原因,也因此比 HID 燈價(jià)格更高。

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  圖 1:這個(gè)例子顯示矩陣式 LED 前燈是怎樣發(fā)送光線的

  不過,故事到這里還沒講完。我最近在美國行業(yè)媒體上讀到一篇文章,文中稱,奧迪已開始在高性能 R8 中提供可選激光遠(yuǎn)光燈。這種激光照明燈有一點(diǎn)非常出色,能夠在前燈保持打開的情況下自我調(diào)節(jié),使光線不落在前面行駛的車輛上,甚至多達(dá)前面 8 輛車。與 LED 前燈相比,奧迪的激光聚光燈可以照到 2 倍遠(yuǎn)的距離 (超過 500 英尺),從而為駕駛員提供了距離更遠(yuǎn)的可見度。

  最新 IC 有助于 LED 前燈的采用

  白熾燈要產(chǎn)生光輸出,所需全部條件就是其燈絲中要有電流通過,與此不同,LED 需要專門的集成電路來驅(qū)動。

  今天,LED 驅(qū)動器 IC 必須具有的一個(gè)關(guān)鍵性能特點(diǎn)是能夠充分調(diào)光。LED 是用恒定電流驅(qū)動的,其 DC 電流值與 LED 亮度成比例。要通過控制 LED 電流改變 LED 亮度,有兩種調(diào)光方法。第一種是模擬調(diào)光,通過降低恒定的 LED 電流值,成比例地降低 LED 的 DC 電流值。降低 LED 電流可能導(dǎo)致 LED 色彩改變,或者 LED 電流控制不準(zhǔn)確。第二種方法是數(shù)字或脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 調(diào)光。PWM 調(diào)光以等于或高于 100Hz 的頻率接通和斷開 LED,這樣的變化人眼察覺不到。PWM 調(diào)光占空比與 LED 亮度成比例,而接通時(shí)的 LED 電流值保持在由 LED 驅(qū)動器 IC 設(shè)定的值,從而在高調(diào)光比時(shí)保持了 LED 顏色的恒定。在某些應(yīng)用中,這種 PWM 調(diào)光方法可實(shí)現(xiàn) 3000 : 1 的調(diào)光比。

  凌力爾特的 LED 驅(qū)動器 IC 能夠以滿足輸入電壓范圍和所需的輸出電壓及電流范圍之轉(zhuǎn)換拓?fù)?、為很多不同類型?LED 配置提供充足的電流和電壓,尤其是在驅(qū)動高亮度 LED 時(shí)。因此,凌力爾特的高亮度 LED 驅(qū)動器 IC 一般具備以下特性:

  ·寬輸入電壓范圍

  ·寬輸出電壓范圍

  ·高效率轉(zhuǎn)換

  ·嚴(yán)格調(diào)節(jié)的 LED 電流匹配

  ·以低噪聲、恒定頻率工作

  ·獨(dú)立的電流和調(diào)光控制

  ·寬調(diào)光范圍比

  ·小型和緊湊的占板面積,所需外部組件最少

  為滿足驅(qū)動汽車前燈中常見 LED 所產(chǎn)生的特定設(shè)計(jì)需求,凌力爾特提供了種類繁多的產(chǎn)品。最近的一個(gè)例子是新推出的 LT3965,這是一款能提供 80V 輸入和輸出電壓的恒定電流和恒定電壓轉(zhuǎn)換器。其拓?fù)涫乖撈骷軌蝌?qū)動大電流 LED。參見圖 2。該器件具備一個(gè)內(nèi)部低壓側(cè) N 溝道功率 MOSFET,輸入額定值為 84V、3.3A,由一個(gè)內(nèi)部調(diào)節(jié)的 7.15V 電源驅(qū)動。固定頻率、電流模式架構(gòu)可在很寬的電源和輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。以地為基準(zhǔn)的電壓 FB 引腳作為幾個(gè) LED 保護(hù)功能的輸入,還使該轉(zhuǎn)換器可以作為一個(gè)恒定電壓源使用。頻率調(diào)節(jié)引腳使用戶能夠在 100kHz 至 1MHz 范圍內(nèi)設(shè)定頻率,以優(yōu)化效率、性能或外部組件尺寸。

  LT3956 在 LED 串的高壓側(cè)檢測輸出電流 (常稱為高壓側(cè)電流檢測)。這是最靈活的 LED 驅(qū)動方法,可實(shí)現(xiàn)升壓、降壓或降壓-升壓模式配置。

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  圖 2:驅(qū)動一個(gè)串連 LED 串的 LT3956 電路原理圖

  VIN 6V to 60V:VIN 6V 至 60V

  (80V TRANSIENT):(80V 瞬態(tài))

  25W LED STRING:25W LED 串

  結(jié)論

  我相信,盡管 LED 前燈目前的市場滲透率低,但是顯然,性能提升太有吸引力了,汽車制造商對 LED 燈目前這種態(tài)度不可能持續(xù)太久。產(chǎn)生吸引力的原因包括:提高駕駛員行車安全性、靈活改變車身造型的能力、節(jié)能以及純粹為了實(shí)現(xiàn)好看的外觀。我們都知道,汽車外觀好看,我們就想買。您以后在駕車四處行走時(shí),請留心看一下矩陣式照明,因?yàn)楫?dāng)您看向后視鏡時(shí)會發(fā)現(xiàn),矩陣式照明及 LED 前燈的使用將有大幅增加。


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