汽車(chē)LED照明驅動(dòng)設計的挑戰和解決之道

【導讀】汽車(chē)環(huán)境為LED帶來(lái)了巨大的挑戰，LED必須能提供穩定的光輸出，即使大燈周?chē)碾姎鈼l件和散熱條件不斷變化，燈光的通量和色點(diǎn)也必須保持恒定。本文提出一種完全集成、靈活的汽車(chē)LED驅動(dòng)設計，不但能滿(mǎn)足汽車(chē)外部照明應用的各種要求，同時(shí)還能克服現有電子器件設計存在的諸多不足…

LED燈在這些汽車(chē)前部照明應用中得到日益廣泛的使用，其主要原因在于：相對于常規白熾燈或高亮度放電(HID)燈，LED燈在款式和設計方面具有獨到的優(yōu)勢，近期則更是得益于低功耗這一特性。但是，同樣重要的是隨著(zhù)LED技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)可以提供更高的功率水平和更寬的色域。目前，在汽車(chē)前部照明應用中，LED燈的性能已不亞于白熾燈。

本文旨在探討LED照明系統中的這一重要元件，指出在開(kāi)發(fā)LED外燈驅動(dòng)電子架構時(shí)需要考慮的因素。文章將說(shuō)明在汽車(chē)外部照明應用中使用 LED燈的原因(如使用壽命長(cháng)、功耗低)，同時(shí)討論在這些應用中引入LED燈所面臨的挑戰，其中包括行業(yè)要求(AEC-Q100)和功能要求。

在此基礎上，我們將深入研究這些應用要求對電子器件的影響，以便充分挖掘LED燈的巨大潛力。我們將提出一種通用型LED照明系統架構，同時(shí)列出電子控制裝置所要求的特性。這些特性包括LED散熱管理、靈活地驅動(dòng)不同LED配置以及具有成本優(yōu)勢的系統設計等。

LED在汽車(chē)應用領(lǐng)域面臨的挑戰

汽車(chē)環(huán)境為L(cháng)ED帶來(lái)了巨大的挑戰，LED必須能提供穩定的光輸出，即使大燈周?chē)碾姎鈼l件和散熱條件不斷變化，燈光的通量和色點(diǎn)也必須保持恒定。

由于LED的光輸出與應用于LED的電流成比例，同時(shí)，LED采用的是擴散式生產(chǎn)工藝，因此即使是同一批次的產(chǎn)品，也可能在驅動(dòng)電流相同的情況下，其光輸出存在差異。為了避免這種不利差異，往往根據某些參數(如正向電壓、通量輸出)來(lái)選擇LED(也稱(chēng)篩選)。通過(guò)篩選，可以確保同一批次的 LED在光輸出和色點(diǎn)方面更加一致。

LED還必須保證在-40℃至+125℃的環(huán)境溫度范圍內，光輸出達到具體應用的最低法定光通量要求。頭燈的光通量需要達到1,000流明左右，并能在工作溫度范圍內提供要求的最低光輸出。

為了達到這種光通量要求，可能要將數個(gè)LED串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)。將多個(gè)高亮度LED燈集合到一起同時(shí)對散熱管理提出了很高的要求，因為隨著(zhù)LED溫度的升高，LED的光輸出會(huì )大幅下降，色點(diǎn)會(huì )發(fā)生偏移。因此，LED在產(chǎn)生這種量級的光的過(guò)程中散發(fā)的熱量必須通過(guò)散熱器傳導出去。在一些極端情況下，可能需要降低LED的驅動(dòng)電流，以避免LED過(guò)熱和損毀。

汽車(chē)工業(yè)對LED的可靠性同樣提出了嚴格的要求。LED解決方案必須能夠達到AEC-Q100標準的嚴格要求。這就意味著(zhù)，LED及驅動(dòng)器電子器件必須通過(guò)該標準的認證。

此外，汽車(chē)制造商以及一級照明產(chǎn)品供應商提出了其他的功能要求，比如利用LED來(lái)提供雙重功能，舉例來(lái)說(shuō)，日間行駛燈有時(shí)充當停車(chē)燈，尾燈有時(shí)用作停止燈。這就意味著(zhù)，LED提供的光必須具有兩個(gè)可以控制的輸出水平。為了避免不同電流水平下的色點(diǎn)偏移，多數系統設計通過(guò)對LED電流進(jìn)行一種脈沖寬度調制(PWM)處理，以減少LED的平均電流，同時(shí)還能使峰值電流維持恒定。這樣在相同的色點(diǎn)下，可以實(shí)現較低的光輸出水平。 下一節將介紹在汽車(chē)應用中為什么在汽車(chē)照明中采用LED?

為什么在汽車(chē)照明中采用LED?

對于汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)，款式上的優(yōu)勢仍然是使用LED燈的主要原因之一。顯然，汽車(chē)制造商看到了進(jìn)一步鞏固其汽車(chē)品牌的機會(huì )。已有多種照明設計從 LED燈提供的更大設計自由度中受益。較為著(zhù)名的早期案例包括奧迪A8/A6。

不過(guò)，關(guān)注點(diǎn)正在向LED燈對汽車(chē)照明應用帶來(lái)的其他優(yōu)勢上轉移。其中包括更低的功耗、更長(cháng)的使用壽命和更快的啟動(dòng)時(shí)間。

密歇根大學(xué)運輸研究學(xué)院(UMTRI)在2008年發(fā)布了一份報告，評估了常規白熾燈和LED解決方案在白天行駛照明功能的能耗水平。他們發(fā)現，對于等效功能，LED解決方案的能耗水平要低50%(23W對46W)。這種節省可以直接轉換成燃油效率，同時(shí)還能使客車(chē)的二氧化碳排放量減少50%。

對于準備開(kāi)發(fā)全電動(dòng)汽車(chē)的汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)，這種燃油效率十分重要。而對于消費者來(lái)說(shuō)，一個(gè)重要的購買(mǎi)標準是電動(dòng)汽車(chē)在充滿(mǎn)電的情況下能行駛的距離。為此，汽車(chē)制造商們正在尋找適當的方式，以改善各種功能的能耗水平，從而提高汽車(chē)的續航能力。LED燈顯然具有極大的節能優(yōu)勢，因而日益成為照明設計工程師們的自然選擇。

另一個(gè)對LED效率的提升以及LED在汽車(chē)照明應用領(lǐng)域的滲透做出了不可磨滅的貢獻的重要因素是LED的照明效率，即每瓦特的流明(lm/W)。該指標衡量的是LED燈每消耗一瓦特能量所產(chǎn)生的光輸出量。該值越高，LED將輸入功率轉換為光輸出的效率就越高。如今的高亮度LED燈能實(shí)現 100-150lm/W的照明效率，而一只60W白熾燈僅為10-18lm/W。

這項指標的改進(jìn)極大地擴大了LED燈的應用范圍，并拓展到完全以L(fǎng)ED燈為基礎的汽車(chē)前部照明系統之中。尤其是完全以L(fǎng)ED為基礎的大燈，其中包括遠光和近光調整等功能。

LED對電子系統架構的影響

實(shí)際上，LED的諸多功能和優(yōu)勢取決于用于驅動(dòng)它們的電子器件。電子驅動(dòng)器解決方案會(huì )對LED以及整個(gè)系統的效率和性能產(chǎn)生巨大影響。

圖1所示為一種針對外部LED燈的通用型LED照明系統架構。圖中顯示了用于驅動(dòng)LED的一種通用照明控制模塊(LCM)的主要組件。雖然有些架構的LED與驅動(dòng)器電子器件位于同一模塊上，但本方案的LED設于驅動(dòng)器控制模塊的一個(gè)獨立LED模塊上。

圖1：一種通用型汽車(chē)LED照明系統架構

如前所述，面向車(chē)外前部照明應用的LED 一般需要采用某種形式的散熱管理。為此，本方案在LED附近設有一個(gè)溫度傳感器。該傳感器通過(guò)LCM來(lái)監控，如果LED溫度升高，控制模塊將減少進(jìn)入 LED的電流，從而避免LED過(guò)熱，防止其發(fā)生故障。

為了識別LED的批次，通常要采用一個(gè)篩選電阻或編碼電阻。通過(guò)測量該電阻的值，LCM可以確定應向LED提供的確切電流量，以確保達到具體功能的光輸出要求。