汽車前燈需要降壓-升壓型LED驅動器

　　背景

　　今天，就連汽車的定義也在不斷演變，變化之多遠勝以往。過去 100 年中，采用內燃動力傳動系統的汽車一直占據主導地位，主要由汽油提供動力，還有少量的柴油動力傳動系統。

　　可是現在，從純電動型 (EV) 到高效率內燃傳動系統，再到大量組合式傳動系統 (常稱為混合動力傳動系統)，我們有了多種汽車動力傳動系統。所有這些設計都有一個共同的目標，即提高燃油效率，同時減少碳排放量。新型動力總成設計包括直接燃料噴射、渦輪增壓、引擎停止/啟動系統、再生制動、乙醇含量較高的燃料以及較清潔的柴油燃燒。隨著混合動力型汽車的開發，汽車變得更加依賴較清潔的電力來源了。盡管取得了如此大的進步，但是汽車設計有一方面相對地穩定，那就是為了在夜間或在天氣條件不夠完美的情況下行車，需要提供前向照明。此外，產生所需光照的方法也從采用鹵素燈轉變為采用高強度放電 (HID) 燈，最近又在向基于高亮度 (HB) LED 的設計轉變，從而為高亮度 LED 開拓了一條增長之路。

　　今年，高亮度 LED 的市場規模預計將達到 120 億美元，到 2015 年，這一數字將增長到 202 億美元。年復合增長率為 30.6% (數據來源：Strategies Unlimited)。驅動這種顯著增長的主要應用領域之一是 LED 應用于汽車設計。汽車應用包括前燈、白天行車燈和剎車燈以及儀表板顯示器背光照明和所有車內梳妝照明燈。不過，為了保持如此顯著的增長率，LED 必須提供更高的可靠性、更低的功耗和更緊湊的外形尺寸，而且還必須能實現創新性設計，例如可操控的汽車前照燈和防眩目調光。此外，在汽車環境中，所有這些改進都必須進行優化，同時還要承受相對嚴酷的汽車電氣及物理環境的考驗。不言而喻，這些解決方案必須提供非常扁平的外形和緊湊的占板面積，同時提高總體成本效益。

　　盡管 LED 用于白天行車燈、剎車燈、轉向信號燈和內部照明已經好幾年了，但是特定于前燈的應用仍然相對較少。目前，只有少數投產車型提供 LED 前燈，其中包括奧迪 (Audi) A8和 R8、雷克薩斯 (Lexus) LS600h 和 RX450h、豐田普銳斯 (Toyota Prius) 和凱迪拉克凱雷德 (Cadillac Escalade)。有人估計，2011 年 LED 前燈市場大約為 10 億美元，2014 年預計將超過 20 億美元。

　　汽車照明系統設計師面臨的最大挑戰之一是，如何最大限度地發揮最新一代高亮度 LED 的所有優勢。因為高亮度 LED 一般需要準確、高效率的 DC 電流源，還需要調光，所以 LED 驅動器 IC 必須設計成能在多種條件下滿足這些要求。結果，電源解決方案必須是高效率、功能堅固和非常可靠，同時還要非常緊湊并具有高成本效益。可以說，就驅動高亮度 LED 而言，要求最苛刻的應用之一是汽車前燈應用，因為這類應用要經受苛刻的汽車電氣環境的考驗，必須提供大功率，一般在 50W 至 75W 之間，還必須能裝進空間非常受限的外殼中，同時在滿足所有這些要求的情況下，還要保持有吸引力的成本結構。

　　汽車 LED 前燈

　　高亮度 LED 前燈有眾多優勢，例如尺寸小、壽命極長、功耗低以及增強了調光功能，這些優勢成為高亮度 LED 前燈得到廣泛采用的催化劑。一些汽車制造商，包括奧迪、奔馳以及最近加入的雷克薩斯，都已經用 LED 設計了與眾不同的行車燈，這些燈圍繞在前燈周圍，如果把前燈比作眼睛，那么這些行車燈就像眉毛一樣，制造商這么做是為了突出品牌特色，讓人們還沒看清車是什么樣子的時候，就知道開過來的是哪個品牌的車。從設計的角度來說，這些應用獨具特色，而且與近光和遠光前燈相比，這些應用面臨的設計挑戰也不同。

　　我們都知道，前燈的主要功能是，在夜間或天氣條件不夠理想的情況下 (例如在雨、雪和霧天) 提供前向照明。需要更高的照明度一直是前燈發展的主要驅動力。上世紀 80 年代，鹵素燈是業界標準，這類燈憑 50W 的電功率可提供大約 1500 流明的光輸出，與其前幾代產品相比，光輸出提高了 50%。這一光輸出轉換成功效 (每瓦光輸出) 就是每瓦 30 流明 (即 30lm/W)。上世界 90 年代中期，高強度放電 (HID) 氙燈成為主流，因為這類燈能提供高達 80 lm/W 的光輸出，從而使制造商能提供更大的總體光輸出。不過，氙燈也有缺點，例如：為了不造成迎面而來的車輛看不清路況，需要準確調節;工作壽命相對較短，為 2000 小時;使用有毒的水銀蒸氣;制造費用很高。隨著高亮度 LED 的功效持續提高，這類 LED 已經成為前燈應用更希望使用的產品。5 年前，已用在汽車中的高亮度 LED 提供 50lm/W 功效，這還不足以用于前燈應用，然而現在的 LED 設計提供 100lm/W 功效，而且估計用不了幾年，就將超過 150lm/W 的功效，從而超過甚至最好的高強度放電燈。LED 能提供大約同樣的每瓦光輸出量，而且還具有其他益處，例如長壽命、堅固性和環保設計，這些都使得用 LED 構成新一代前燈非常有吸引力。　　

 

　　在汽車前燈中使用 LED 有幾項積極意義。首先，這些 LED 燈永遠不需要更換，因為它們的可靠壽命長達 10 萬小時以上 (相當于 11 年半的使用年限)，這超過了汽車的壽命。因此汽車制造商可以將 LED 永久性地嵌入到前燈設計中，而無需為更換留出余地。這還使汽車款式能得到極大的改變，因為 LED 照明系統不需要高強度放電燈或鹵素燈那么大的深度或面積。在靠輸入電功率提供光輸出 (以流明量度) 方面，高亮度 LED 燈還比鹵素燈的效率高 (而且不久就將超過高強度放電燈)。這會產生兩種積極影響。首先，LED 燈從汽車總線吸取更少的電功率，在電動汽車和混合動力汽車中，這一點尤其重要。同樣重要的是，LED 燈降低了需要在照明系統中散出的熱量，從而無需笨重、昂貴的散熱器。最后，通過使用高亮度 LED 陣列以及對 LED 陣列進行電子控制或調光，LED 前燈可以非常容易地設計成可為很多不同的行車條件優化照明。

　　設計參數

　　為了確保最佳性能和較長的工作壽命，LED 需要有效的驅動電路。不管輸入電壓源的變化范圍有多寬，這些驅動器 IC 都必須提供準確、高效率的 DC 電流源和準確的 LED 電壓調節。其次，驅動器 IC 必須提供調光方法和多種保護功能，以防遇到 LED 開路或短路故障。除了能靠電氣環境非常苛刻的汽車電源總線可靠工作，驅動器 IC 還必須具有高成本效益并有效利用空間。

　　汽車電子瞬態造成的挑戰：停止 / 啟動、冷車發動和負載突降情況

　　為了最大限度地提高燃油里程，同時盡量降低碳排放量，可選擇的動力驅動技術在不斷演變。無論這些新技術納入了混合電動、清潔柴油還是更傳統的內燃機設計，它們都有可能采用停止-啟動電動機設計。這種設計在全世界幾乎所有的混合動力汽車中已十分普遍，停止-啟動電動機設計已經普遍存在，很多歐洲和亞洲的汽車制造商也一直在將這種設計納入傳統的汽油和柴油車輛中。美國福特汽車公司已宣布，將在很多面向美國市場的 2012 車型中，采用停止-啟動系統。