汽車(chē)前向照明應用需要高性能 LED 驅動(dòng)器

　　背景

　　2012 年，高亮度 (HB) LED 的市場(chǎng)規模預計將達到 120 億美元，到 2015 年，該市場(chǎng)將增長(cháng)至 202 億美元，年復合增長(cháng)率達到 30.6% (數據來(lái)源：Strategies Unlimited公司)。促使 LED 這種顯著(zhù)增長(cháng)的關(guān)鍵應用領(lǐng)域之一是 LED 在汽車(chē)設計中的使用。LED 在汽車(chē)中的應用范圍包括前燈、白天行車(chē)燈、剎車(chē)燈和轉向信號燈，儀表板顯示及背光照明，還有所有種類(lèi)的車(chē)內照明燈。由于客戶(hù)都有風(fēng)格偏好和安全需求，幾乎所有新車(chē)型都提供 LED 白天行車(chē)燈 (DRL)。本田雅閣的大多數 2013 車(chē)型都采用了 LED 白天行車(chē)燈，并在旅行車(chē)型和混合動(dòng)力車(chē)型中提供了 LED 前燈 (參見(jiàn)圖 1)。為了保持這種令人驚嘆的增長(cháng)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(shí)現可轉向前燈、防眩調光等創(chuàng )新設計。此外，在汽車(chē)環(huán)境中，LED 所有這些改進(jìn)都必須優(yōu)化，同時(shí)還要承受條件相對苛刻的汽車(chē)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(shí)提高總體性?xún)r(jià)比。

　　盡管幾年來(lái)，LED 已經(jīng)用在白天行車(chē)燈、剎車(chē)燈、轉向信號燈和內部照明中，但是特定于前燈的應用還相對較新。目前，僅有少數量產(chǎn)車(chē)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(shí)捷卡宴。有些業(yè)界估計數據表明，2012 年 LED 前燈市場(chǎng)大約為 10 億美元，預計到 2014 年，該市場(chǎng)將超過(guò) 20 億美元，并繼續以指數級增長(cháng)。

　　汽車(chē)照明系統設計師最大的挑戰之一是：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(gè)準確、高效率的 DC 電流源，要有調光方法，而且必須提供各種保護功能。此外，這些 LED 的驅動(dòng)器 IC 必須設計為能在多種多樣的條件下滿(mǎn)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(shí)又是非常緊湊和經(jīng)濟實(shí)惠的?？梢哉f(shuō)，就驅動(dòng)高亮度 LED 而言，要求最苛刻的應用就是汽車(chē)前燈照明應用，包括白天行車(chē)燈和前燈，因為這類(lèi)應用所處的是嚴酷的汽車(chē)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(shí)，還要保持富有吸引力的成本結構?！　?/p>

?

　　LED 白天行車(chē)燈和前燈

　　尺寸小、壽命極長(cháng)、低功耗、更強的調光能力等優(yōu)勢，是高亮度 LED 白天行車(chē)燈和前燈得到廣泛采用的催化劑。幾家汽車(chē)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 設計了非常獨特的白天行車(chē)燈，讓這些白天行車(chē)燈成為前燈的“眉毛”或“底線(xiàn)”，以此彰顯品牌的獨有魅力。這些應用不僅從設計角度來(lái)看非常獨特，而且在提供可靠、具成本效益的解決方案時(shí)也有一些設計挑戰。隨著(zhù)高亮度 LED 逐步用在近光和遠光前燈中，這些挑戰也變得愈加顯著(zhù)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)展的主要驅動(dòng)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(lèi)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(lèi)燈能提供 80lm/W，從而使制造商能提供更大的總體光輸出。不過(guò)，氙燈也有缺點(diǎn)，例如：需要準確地調節，以避免使對面的車(chē)輛看不清道路;工作壽命相對短，僅為 2000 小時(shí);使用有毒的水銀氣體和制造費用昂貴。隨著(zhù)高亮度 LED 燈的功效持續提高，這類(lèi)燈已經(jīng)變得更加理想地適用于前燈應用了。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用，不過(guò)，目前的 LED 設計可提供 100lm/W 光輸出，而且估計在接下來(lái)的幾年內，光輸出將超過(guò) 150lm/W，這甚至超過(guò)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(diǎn)，包括長(cháng)壽命、堅固性和環(huán)保設計，因此用 LED 構成新一代前燈變得尤其有吸引力了。

　　用 LED 構成汽車(chē)前燈和白天行車(chē)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(cháng)達 10 萬(wàn)小時(shí)以上 (使用年限為 11.5 年)，超過(guò)了車(chē)輛的壽命。這就允許汽車(chē)制造商將 LED 燈永久性地嵌入到車(chē)身中，而無(wú)需為進(jìn)行更換留出操作余地。LED 燈還有助于極大地改變車(chē)輛款式，因為 LED 照明系統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(shí)，高亮度 LED 燈還比鹵素燈的效率高 (而且不久就將超過(guò)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(chē)總線(xiàn)電功率，這在電動(dòng)型汽車(chē)和混合動(dòng)力型汽車(chē)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(wú)需任何笨重、昂貴的散熱器。最后，通過(guò)在前燈陣列中使用高亮度 LED 陣列，并以電子方式進(jìn)行轉向以及調光，可以很容易地設計 LED 陣列，并為很多不同的驅動(dòng)情況而優(yōu)化照明。

　　設計參數

　　為了確保最佳性能和長(cháng)工作壽命，LED 需要一種有效的驅動(dòng)電路。這意味著(zhù)，無(wú)論輸入電壓源怎樣變化，驅動(dòng)器 IC 都必須高效率地提供準確的 DC 電流并提供準確的 LED 電壓調節。其次，驅動(dòng)器 IC 必須提供一種調光方法，還要提供多種保護功能，以防遭遇 LED 開(kāi)路或短路故障。除了依靠電氣環(huán)境十分惡劣的汽車(chē)電源總線(xiàn)可靠地工作，驅動(dòng)器 IC 還必須經(jīng)濟實(shí)惠，節省空間。

　　停/啟、冷車(chē)發(fā)動(dòng)和負載突降情況

　　為了最大限度地提高燃油里程，同時(shí)盡量減少二氧化碳排放量，各種可選擇的驅動(dòng)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(dòng)混合、清潔柴油還是更傳統的內燃發(fā)動(dòng)機設計，它們都有可能還需要采用停-啟馬達設計。在世界各地的所有混合動(dòng)力型汽車(chē)設計中，停-啟馬達已經(jīng)普遍存在了，很多歐洲和亞洲的汽車(chē)制造商也已經(jīng)在傳統的汽油和柴油汽車(chē)中采用了這類(lèi)停-啟設計。福特汽車(chē)公司不久前在美國宣布，將在即將推出面向美國國內市場(chǎng)的車(chē)型中采用停-啟系統。

　　就發(fā)動(dòng)機而言，停-啟系統的概念簡(jiǎn)單易懂，當車(chē)輛停止時(shí)，發(fā)動(dòng)機關(guān)閉，然后當要求車(chē)輛再次移動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機立即重新啟動(dòng)。在車(chē)輛停在車(chē)流中或停在紅燈處時(shí)，這可以節省燃油，減少尾氣排放。這種停-啟設計可以將燃油消耗和尾氣排放分別減少 5% 至 10%。然而，這種設計的最大挑戰是，不讓駕駛員感覺(jué)到整個(gè)停-啟過(guò)程。要想讓駕駛員感覺(jué)不到停-啟動(dòng)作，會(huì )遇到兩個(gè)主要的設計障礙。第一個(gè)是快速重啟。有些制造商利用增強的啟動(dòng)器設計，已經(jīng)將重啟時(shí)間縮短至不到 0.5s，從而使重啟過(guò)程真正不被感覺(jué)到。第二個(gè)設計挑戰是，當發(fā)動(dòng)機關(guān)閉時(shí)，保持車(chē)中所有電子系統正常運行，包括由電池直接供電的空調系統和照明系統;同時(shí)保持足夠的電力儲備，以在要加速時(shí)快速重啟發(fā)動(dòng)機。

　　為了納入停-啟功能，動(dòng)力傳動(dòng)系統的設計需要進(jìn)行一些修改。也就是說(shuō)，原來(lái)的交流發(fā)電機可能還要兼作增強的發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)器，以確?？焖僦貑?。此外，必須增加一個(gè)停-啟電子控制單元 (ECU)，以控制發(fā)動(dòng)機何時(shí)以及怎樣啟動(dòng)和停止。在發(fā)動(dòng)機 / 交流發(fā)電機關(guān)閉時(shí)，電池必須能給車(chē)燈、環(huán)境控制以及其他電子系統供電。另外，當發(fā)動(dòng)機需要再次啟動(dòng)時(shí)，電池必須能給啟動(dòng)器供電。這種極端的電池加載要求又引入了另一個(gè)設計挑戰，這是一個(gè)電氣方面的挑戰，因為重啟發(fā)動(dòng)機需要吸取很大的電流，這可能暫時(shí)將電池電壓拉低至 6V。對于 LED 驅動(dòng)器的挑戰是，當電池總線(xiàn)電壓短暫降至 6V、然后在充電器回到穩定狀態(tài)時(shí)返回 13.8V 標稱(chēng)值時(shí)，連續提供良好穩定的輸出電壓和 LED 電流。