低能耗LED使汽車(chē)照明更高效

　　引言

　　LED在汽車(chē)應用中的普及率持續攀升，這得益于其長(cháng)久的使用壽命以及可用于汽車(chē)車(chē)身造型和內部設計的靈活性。盡管LED的實(shí)現成本高于傳統白熾燈泡是不爭的事實(shí)，但是這種發(fā)展勢頭卻并未因此而受到遏制，也許會(huì )有人對此感到意外。那么，究竟是什么原因造成了目前LED大行其道的局面呢？答案之簡(jiǎn)單令人驚訝；所有車(chē)輛的正面就如同一個(gè)人的面孔一樣，其美觀(guān)與否對于潛在買(mǎi)主的影響是極為深刻的。不管與氙氣燈泡還是白熾燈泡相比，用于車(chē)前燈、晝間行駛燈和轉向信號指示燈的LED照明在設計靈活性方面都要遠勝一籌。這使得汽車(chē)前端的車(chē)身設計師能夠完成一些此前絕無(wú)可能實(shí)現的設計方案。Audi公司的A系列汽車(chē)就很好地表現出了LED照明的這種設計靈活性：這些車(chē)輛的晝間行駛燈被安放在位于車(chē)前燈和轉向信號燈下面的線(xiàn)型陣列中。如果您曾在后視鏡中看到過(guò)上述的某款汽車(chē)，您就能夠確切地了解我所描述的情況。

　　但是，車(chē)前燈本身恰恰曾經(jīng)是LED在汽車(chē)環(huán)境中難以實(shí)現的應用目標。其主要原因在于LED及其關(guān)聯(lián)的驅動(dòng)器電路的熱設計。傳統的燈泡本質(zhì)上就是一個(gè)“加熱器”，并且在高溫下工作，與之不同的是，LED及其驅動(dòng)器電路需要把散熱器作為其外殼的一部分加以整合，以便將熱量從LED上移開(kāi)。顯然，LED驅動(dòng)器的轉換效率及其相關(guān)功率損失會(huì )對汽車(chē)前照燈配置中所使用的LED外殼的熱設計產(chǎn)生重大的影響。由于高溫運作環(huán)境對LED的光輸出和工作壽命具有負面影響，因此上述的所有預防措施都是必不可少的。

　　1 LED和性能

　　高功率或高亮度LED的光輸出已經(jīng)超越了具有重要里程碑意義的100lm/瓦（lm/W）。事實(shí)上，有的制造商已聲稱(chēng)在實(shí)驗室里獲得了200lm/W的LED光輸出。因此很明顯，就發(fā)光效能而言，LED已超過(guò)了白熾燈泡（標準60W燈泡的光輸出為15lm/W）?；蛘?，換句話(huà)說(shuō)：就是用來(lái)自某個(gè)光源的光輸出量（單位：流明）與產(chǎn)生該光輸出量所消耗的功率量（單位：W）之比來(lái)表示光輸出。即使如此，據預測，到2012年，光輸出達150lm/W的LED在市面上將隨處可見(jiàn)。另一個(gè)附加的好處是LED的壽命。視計算方式的不同，白光LED燈泡的壽命至少可以達到10,000小時(shí)，有的甚至聲稱(chēng)高達50,000小時(shí)，而白熾燈泡的壽命則僅為1,200至1,500小時(shí)左右。此外，LED是“綠色”產(chǎn)品，原因是其不含任何危險材料。

　　LED照明的成本下降得非?？?。在過(guò)去的12個(gè)月里，專(zhuān)用白光LED（某些已被LED燈泡所采用并占據了其大部分成本）的價(jià)格已經(jīng)從幾年前的約5美元降至1.00美元以下。LED行業(yè)的許多分析人士預測：在未來(lái)的12個(gè)月時(shí)間里，用LED燈泡替換白熾燈泡的價(jià)位將為消費者所接受。有些LED制造商聲稱(chēng)他們已經(jīng)設計出了可為L(cháng)ED燈泡供電的發(fā)光芯片，所產(chǎn)生的光線(xiàn)亮度與大多數私人住宅廣泛使用的75W白熾燈泡相當。為了具備輸出該光量的能力，此類(lèi)LED芯片通常需要12W至15W的功率。

　　特別是就汽車(chē)而言，車(chē)前燈必需具有至少800流明的光輸出量。Cree公司是一家LED制造商，它推出了其XLampXP-G系列LED，據稱(chēng)其流明密度是目前市面上照明類(lèi)LED當中最高的。這些LED采用該公司的XP系列封裝，可提供高達400流明的光輸出量（在1A）和超過(guò)130lm/W的光輸出（在350mA）。于是，鑒于LED車(chē)前燈將在節能方面為車(chē)主帶來(lái)好處（與標準版本的車(chē)前燈相比，其效率通常要高出75%），因此它的使用將降低汽車(chē)每年的油耗水平。

　　LED實(shí)際上能夠節約多少燃油成本呢？美國密歇根大學(xué)交通運輸研究所（Michigan’sTransportationResearchInstitute-UMTRI）。在2008年進(jìn)行的一項研究中對此做了評估。在那次研究中，他們通過(guò)比較100%采用白熾燈和鹵素燈照明光源的傳統系統與照明效果相當、100%使用LED照明光源的新型系統，對客車(chē)外部照明的功耗情況進(jìn)行了調查分析。結果表明：全LED系統的光能節省幅度達50%以上。這不僅節約了汽油動(dòng)力車(chē)的燃油成本，而且還將使汽車(chē)的總體碳排放量每年降低1%至2%。

　　2 驅動(dòng)一個(gè)25W的車(chē)前燈

　　如今，一個(gè)25W白光LED車(chē)前燈可以采用由18個(gè)串聯(lián)LED組成的陣列來(lái)配置，使350mA的電流流過(guò)這些LED以產(chǎn)生所需的光輸出。不過(guò)，如何高效和簡(jiǎn)單地驅動(dòng)這樣一種配置，這是設計師所面臨的一個(gè)重大障礙。由凌力爾特公司近期推出的LT3956單片式LED驅動(dòng)器是一種可行的解決方案。LT3956是一款DC/DC轉換器，專(zhuān)為充當一個(gè)恒定電流和恒定電壓調節器而設計。它非常適合于驅動(dòng)大電流、高亮度LED（見(jiàn)圖1）。

圖1 效率達94%的25W白光LED車(chē)前燈驅動(dòng)器

　　該器件具有一個(gè)內部低端N溝道功率MOSFET，此MOSFET的額定規格針對84V/3.3A而擬訂，并從一個(gè)內部已調7.15V電源來(lái)驅動(dòng)。固定頻率、電流模式架構在一個(gè)很寬的電源和輸出電壓范圍內實(shí)現了穩定的操作。一個(gè)參考于地的電壓反饋（FB）引腳用作多個(gè)LED保護功能電路的輸入，而且還使轉換器能夠起一個(gè)恒定電壓源的作用。一個(gè)頻率調節引腳允許用戶(hù)在100kHz至1MHz的范圍內設置頻率，旨在優(yōu)化效率、性能或外部組件尺寸。

　　LT3956在LED串的高端檢測輸出電流。高端電流檢測是用于驅動(dòng)LED的最靈活方案，允許采用升壓、降壓模式或降壓-升壓模式配置。PWM輸入提供了高達3000:1的LE

　　D調光比，而CTRL輸入則提供了額外的模擬調光能力。

　　LT3956的轉換效率可以達到約94%（取決于輸入電壓和工作頻率）。這一點(diǎn)示于圖2中給出的效率曲線(xiàn)。

圖2 所示LT3956電路的效率與VIN的關(guān)系曲線(xiàn)

　　這種高轉換效率可為L(cháng)ED車(chē)前燈外殼實(shí)現一種更加簡(jiǎn)單明了的熱設計方案，因為這款LED驅動(dòng)器并不會(huì )對LED本身所產(chǎn)生的熱量有顯著(zhù)的影響。在上面的例子中，LED驅動(dòng)器的功率損失為1.5W，這些功率被作為熱量[25W×（1-0.94）]而耗散掉。這具有額外的好處，就是同時(shí)還降低對空間和重量的要求。

　　3 結語(yǔ)

　　對于即將在汽車(chē)環(huán)境中使用的高功率LED驅動(dòng)器來(lái)說(shuō)，某些特性是其必須具備的。顯然，它必須要能夠運用一種同時(shí)滿(mǎn)足輸入電壓范圍以及所需的輸出電壓和電流要求的轉換拓撲結構，給不同類(lèi)型的LED配置提供足夠的電流和電壓。不過(guò)，它們還應該擁有以下特點(diǎn)：寬輸入電壓范圍、寬輸出電壓范圍、高效轉換、嚴格調節的LED電流匹配、低噪聲、恒定頻率操作、獨立的電流和調光控制、寬調光比范圍、小巧緊湊的占板面積和極少的外部組件。

　　即使在具備以上性能特征的情況下，由LED驅動(dòng)器驅動(dòng)的LED還必須能夠從盡可能低的功率等級來(lái)提供所需的光輸出量（流明），且不會(huì )導致熱設計遭受重大的限制。幸運的是，對于車(chē)前燈設計師而言，他們已經(jīng)同時(shí)擁有了高效能LED和高性能LED驅動(dòng)器，從而能夠實(shí)現以往一直被認為是互斥的（即：從低輸入功率等級來(lái)提供高的光輸出量）。

圖3 產(chǎn)品圖