汽車(chē) LED 前燈不斷演變

背景信息

如果您和我年齡相仿，您可能仍然記得傳統鎢絲燈泡。我之所以這么說(shuō)是因為，多數美國家庭過(guò)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(guò)這種燈仍然可以買(mǎi)到)。還有一件事也應該提到，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)，因為事實(shí)上，美國住宅照明約占美國電力消耗的 14% (數據來(lái)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(guò)程與目前發(fā)生在汽車(chē)行業(yè)中的車(chē)輛照明的轉變類(lèi)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(chē)內部和前向照明系統的變化才導致 LED 燈的采用率出現了顯著(zhù)提高。例如，超過(guò) 70% 的汽車(chē)內部指示燈和超過(guò) 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(chē)燈 (DRL) 和大約 5% 的前燈采用了 LED 燈。盡管前燈 (近光、遠光、霧燈) 代表著(zhù)最大的商機，但也是滲透率最低的市場(chǎng)，很多人發(fā)現了這一矛盾，我就是其中之一。出現這種明顯矛盾的主要原因之一是成本，汽車(chē)制造商無(wú)法以消費者愿意支付的價(jià)格提供 LED 前燈。

汽車(chē)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備制造商都偏愛(ài) 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(ài)的原因包括但不限于以下各項：

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

· 節能和較低的二氧化碳排放量 D 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(zhù)地延長(cháng)的生命周期。

· 成本 D 這個(gè)特點(diǎn)似乎與直覺(jué)相悖，但是在非前燈應用中，成本持續下降、耐用性和卓越的質(zhì)量已經(jīng)使 LED 成為最終消費者價(jià)值的新標準。

· 監管 D 很多政府法規規定了對白天行車(chē)燈和前燈以及其他照明應用的要求，這些法規導致對 LED 照明的需求增大了。

奧迪被普遍認為是 LED 應用的領(lǐng)導者，我想，任何人對這一點(diǎn)都不會(huì )感到驚訝，因為奧迪在幾乎任何外部汽車(chē)照明應用中都使用了 LED。任何人在后視鏡中看到奧迪著(zhù)名的“眼眉”白天行車(chē)燈，都會(huì )覺(jué)得非常引人注目。此外，奧迪是第一家使用 LED 前燈的汽車(chē)制造商，用在了 2004 年的奧迪 R8 中。

那么， LED 前燈為什么沒(méi)有像用于其他形式汽車(chē)照明的 LED 那樣流行起來(lái)呢? 答案當然是成本?？梢匀〈?LED 前燈的其他產(chǎn)品包括：白熾燈、鹵素燈或高密度放電 (HID) 氙氣燈?？杀?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)現與 HID 氙氣前燈可比的性能，需要一個(gè)比更低性能鹵素燈價(jià)格高得多的 LED 解決方案) 高 1.5 倍。順便提一句，首款 HID 氙氣前燈出現于 1991 年的寶馬 7 系列中。

一般而言，LED 前燈的亮度介于鹵素燈和 HID 燈之間，但是 LED 燈的光線(xiàn)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(chē)制造商能夠開(kāi)發(fā)各種形狀的 LED 燈和組裝方法，以完美地與車(chē)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。由于這個(gè)原因，LED 前燈需要冷卻系統 (例如散熱器或風(fēng)扇) 以避免熔化。此外，這類(lèi)冷卻系統位于發(fā)動(dòng)機艙內，對于其他一些需要保持合適溫度的系統而言，發(fā)動(dòng)機艙不是個(gè)太涼爽的區域。這是 LED 前燈更難以設計、更難以在汽車(chē)中采用的另一個(gè)原因，也因此比 HID 燈價(jià)格更高。

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

不過(guò)，故事到這里還沒(méi)講完。我最近在美國行業(yè)媒體上讀到一篇文章，文中稱(chēng)，奧迪已開(kāi)始在高性能 R8 中提供可選激光遠光燈。這種激光照明燈有一點(diǎn)非常出色，能夠在前燈保持打開(kāi)的情況下自我調節，使光線(xiàn)不落在前面行駛的車(chē)輛上，甚至多達前面 8 輛車(chē)。與 LED 前燈相比，奧迪的激光聚光燈可以照到 2 倍遠的距離 (超過(guò) 500 英尺)，從而為駕駛員提供了距離更遠的可見(jiàn)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(guò)，與此不同，LED 需要專(zhuān)門(mén)的集成電路來(lái)驅動(dòng)。

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

凌力爾特的 LED 驅動(dòng)器 IC 能夠以滿(mǎn)足輸入電壓范圍和所需的輸出電壓及電流范圍之轉換拓撲、為很多不同類(lèi)型的 LED 配置提供充足的電流和電壓，尤其是在驅動(dòng)高亮度 LED 時(shí)。因此，凌力爾特的高亮度 LED 驅動(dòng)器 IC 一般具備以下特性：

· 寬輸入電壓范圍

· 寬輸出電壓范圍

· 高效率轉換

· 嚴格調節的 LED 電流匹配

· 以低噪聲、恒定頻率工作

· 獨立的電流和調光控制

· 寬調光范圍比

· 小型和緊湊的占板面積，所需外部組件最少

為滿(mǎn)足驅動(dòng)汽車(chē)前燈中常見(jiàn) LED 所產(chǎn)生的特定設計需求，凌力爾特提供了種類(lèi)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換器。其拓撲使該器件能夠驅動(dòng)大電流 LED。參見(jiàn)圖 2。該器件具備一個(gè)內部低壓側 N 溝道功率 MOSFET，輸入額定值為 84V、3.3A，由一個(gè)內部調節的 7.15V 電源驅動(dòng)。固定頻率、電流模式架構可在很寬的電源和輸出電壓范圍內實(shí)現穩定運行。以地為基準的電壓 FB 引腳作為幾個(gè) LED 保護功能的輸入，還使該轉換器可以作為一個(gè)恒定電壓源使用。頻率調節引腳使用戶(hù)能夠在 100kHz 至 1MHz 范圍內設定頻率，以?xún)?yōu)化效率、性能或外部組件尺寸。

LT3956 在 LED 串的高壓側檢測輸出電流 (常稱(chēng)為高壓側電流檢測)。這是最靈活的 LED 驅動(dòng)方法，可實(shí)現升壓、降壓或降壓-升壓模式配置。

圖 2：驅動(dòng)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

結論

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