背景
今天，就連汽車的定義也在不斷演變，變化之多遠(yuǎn)勝以往。過(guò)去 100 年中，采用內(nèi)燃動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的汽車一直占據(jù)主導(dǎo)地位，主要由汽油提供動(dòng)力，還有少量的柴油動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。
可是現(xiàn)在，從純電動(dòng)型 (EV) 到高效率內(nèi)燃傳動(dòng)系統(tǒng)，再到大量組合式傳動(dòng)系統(tǒng) (常稱為混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng))，我們有了多種汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。所有這些設(shè)計(jì)都有一個(gè)共同的目標(biāo)，即提高燃油效率，同時(shí)減少碳排放量。新型動(dòng)力總成設(shè)計(jì)包括直接燃料噴射、渦輪增壓、引擎停止/啟動(dòng)系統(tǒng)、再生制動(dòng)、乙醇含量較高的燃料以及較清潔的柴油燃燒。隨著混合動(dòng)力型汽車的開(kāi)發(fā)，汽車變得更加依賴較清潔的電力來(lái)源了。盡管取得了如此大的進(jìn)步，但是汽車設(shè)計(jì)有一方面相對(duì)地穩(wěn)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(chǎn)生所需光照的方法也從采用鹵素?zé)艮D(zhuǎn)變?yōu)椴捎酶邚?qiáng)度放電 (HID) 燈，最近又在向基于高亮度 (HB) LED 的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，從而為高亮度 LED 開(kāi)拓了一條增長(zhǎng)之路。
今年，高亮度 LED 的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到 120 億美元，到 2015 年，這一數(shù)字將增長(zhǎng)到 202 億美元。年復(fù)合增長(zhǎng)率為 30.6% (數(shù)據(jù)來(lái)源：Strategies Unlimited)。驅(qū)動(dòng)這種顯著增長(zhǎng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一是 LED 應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)。汽車應(yīng)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(nèi)梳妝照明燈。不過(guò)，為了保持如此顯著的增長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，例如可操控的汽車前照燈和防眩目調(diào)光。此外，在汽車環(huán)境中，所有這些改進(jìn)都必須進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)還要承受相對(duì)嚴(yán)酷的汽車電氣及物理環(huán)境的考驗(yàn)。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(shí)提高總體成本效益。
盡管 LED 用于白天行車燈、剎車燈、轉(zhuǎn)向信號(hào)燈和內(nèi)部照明已經(jīng)好幾年了，但是特定于前燈的應(yīng)用仍然相對(duì)較少。目前，只有少數(shù)投產(chǎn)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(jì)，2011 年 LED 前燈市場(chǎng)大約為 10 億美元，2014 年預(yù)計(jì)將超過(guò) 20 億美元。
汽車照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的最大挑戰(zhàn)之一是，如何最大限度地發(fā)揮最新一代高亮度 LED 的所有優(yōu)勢(shì)。因?yàn)楦吡炼?LED 一般需要準(zhǔn)確、高效率的 DC 電流源，還需要調(diào)光，所以 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 必須設(shè)計(jì)成能在多種條件下滿足這些要求。結(jié)果，電源解決方案必須是高效率、功能堅(jiān)固和非�？煽�，同時(shí)還要非常緊湊并具有高成本效益�？梢哉f(shuō)，就驅(qū)動(dòng)高亮度 LED 而言，要求最苛刻的應(yīng)用之一是汽車前燈應(yīng)用，因?yàn)檫@類應(yīng)用要經(jīng)受苛刻的汽車電氣環(huán)境的考驗(yàn)，必須提供大功率，一般在 50W 至 75W 之間，還必須能裝進(jìn)空間非常受限的外殼中，同時(shí)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(jié)構(gòu)。
汽車 LED 前燈
高亮度 LED 前燈有眾多優(yōu)勢(shì)，例如尺寸小、壽命極長(zhǎng)、功耗低以及增強(qiáng)了調(diào)光功能，這些優(yōu)勢(shì)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(jīng)用 LED 設(shè)計(jì)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(méi)看清車是什么樣子的時(shí)候，就知道開(kāi)過(guò)來(lái)的是哪個(gè)品牌的車。從設(shè)計(jì)的角度來(lái)說(shuō)，這些應(yīng)用獨(dú)具特色，而且與近光和遠(yuǎn)光前燈相比，這些應(yīng)用面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)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(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。上世紀(jì) 80 年代，鹵素?zé)羰菢I(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，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(chǎn)品相比，光輸出提高了 50%。這一光輸出轉(zhuǎn)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(qiáng)度放電 (HID) 氙燈成為主流，因?yàn)檫@類燈能提供高達(dá) 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(guò)，氙燈也有缺點(diǎn)，例如：為了不造成迎面而來(lái)的車輛看不清路況，需要準(zhǔn)確調(diào)節(jié)；工作壽命相對(duì)較短，為 2000 小時(shí)；使用有毒的水銀蒸氣；制造費(fèi)用很高。隨著高亮度 LED 的功效持續(xù)提高，這類 LED 已經(jīng)成為前燈應(yīng)用更希望使用的產(chǎn)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(yīng)用，然而現(xiàn)在的 LED 設(shè)計(jì)提供 100lm/W 功效，而且估計(jì)用不了幾年，就將超過(guò) 150lm/W 的功效，從而超過(guò)甚至最好的高強(qiáng)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(zhǎng)壽命、堅(jiān)固性和環(huán)保設(shè)計(jì)，這些都使得用 LED 構(gòu)成新一代前燈非常有吸引力。
圖 1：已用在汽車中的 LED 前燈
在汽車前燈中使用 LED 有幾項(xiàng)積極意義。首先，這些 LED 燈永遠(yuǎn)不需要更換，因?yàn)樗鼈兊目煽繅勖L(zhǎng)達(dá) 10 萬(wàn)小時(shí)以上 (相當(dāng)于 11 年半的使用年限)，這超過(guò)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(shè)計(jì)中，而無(wú)需為更換留出余地。這還使汽車款式能得到極大的改變，因?yàn)?LED 照明系統(tǒng)不需要高強(qiáng)度放電燈或鹵素?zé)裟敲创蟮纳疃然蛎娣e。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?zé)舻男矢?(而且不久就將超過(guò)高強(qiáng)度放電燈)。這會(huì)產(chǎn)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(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車中，這一點(diǎn)尤其重要。同樣重要的是，LED 燈降低了需要在照明系統(tǒng)中散出的熱量，從而無(wú)需笨重、昂貴的散熱器。最后，通過(guò)使用高亮度 LED 陣列以及對(duì) LED 陣列進(jìn)行電子控制或調(diào)光，LED 前燈可以非常容易地設(shè)計(jì)成可為很多不同的行車條件優(yōu)化照明。
設(shè)計(jì)參數(shù)
為了確保最佳性能和較長(zhǎng)的工作壽命，LED 需要有效的驅(qū)動(dòng)電路。不管輸入電壓源的變化范圍有多寬，這些驅(qū)動(dòng)器 IC 都必須提供準(zhǔn)確、高效率的 DC 電流源和準(zhǔn)確的 LED 電壓調(diào)節(jié)。其次，驅(qū)動(dòng)器 IC 必須提供調(diào)光方法和多種保護(hù)功能，以防遇到 LED 開(kāi)路或短路故障。除了能靠電氣環(huán)境非常苛刻的汽車電源總線可靠工作，驅(qū)動(dòng)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(tài)造成的挑戰(zhàn)：停止 / 啟動(dòng)、冷車發(fā)動(dòng)和負(fù)載突降情況
為了最大限度地提高燃油里程，同時(shí)盡量降低碳排放量，可選擇的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)技術(shù)在不斷演變。無(wú)論這些新技術(shù)納入了混合電動(dòng)、清潔柴油還是更傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)，它們都有可能采用停止-啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)在全世界幾乎所有的混合動(dòng)力汽車中已十分普遍，停止-啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)已經(jīng)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(shè)計(jì)納入傳統(tǒng)的汽油和柴油車輛中。美國(guó)福特汽車公司已宣布，將在很多面向美國(guó)市場(chǎng)的 2012 車型中，采用停止-啟動(dòng)系統(tǒng)。
就發(fā)動(dòng)機(jī)而言，停止-啟動(dòng)系統(tǒng)的概念很容易理解，當(dāng)車輛停止時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，然后在要求車輛再次開(kāi)動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)立即重新啟動(dòng)。這樣一來(lái)，當(dāng)汽車在行駛中因交通情況或紅燈而暫停時(shí)，就不會(huì)消耗燃油，也不會(huì)排放碳。這種停止-啟動(dòng)設(shè)計(jì)可將燃油消耗量和碳排放量降低 5% 至高達(dá) 10%。不過(guò)，此類設(shè)計(jì)所面臨的最大挑戰(zhàn)是：怎樣使整個(gè)起停狀況不為駕駛者所察覺(jué)。為避免駕駛者覺(jué)察汽車的起停能力，存在著兩大設(shè)計(jì)障礙。第一個(gè)是快速重啟時(shí)間。有些制造商利用增強(qiáng)的啟動(dòng)器設(shè)計(jì)，將重啟時(shí)間降至不到 0.5 秒，從而使重啟真正感覺(jué)不到。第二個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是，在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)，保持所有電子系統(tǒng)直接由電池供電，包括空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)，而且同時(shí)仍然保持足夠的電池電量?jī)?chǔ)備，以在加速時(shí)快速重啟發(fā)動(dòng)機(jī)。
為了納入停止-啟動(dòng)功能，的確需要對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行一些修改。過(guò)去的交流發(fā)電機(jī)也許還要用作增強(qiáng)的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器，以確�？焖僦貑�，另外，必須增加一個(gè)停止-啟動(dòng)電子控制單元 (ECU)，以控制發(fā)動(dòng)機(jī)何時(shí)以及怎樣啟動(dòng)和停止。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī) / 交流發(fā)電機(jī)關(guān)閉時(shí)，電池必須能給車輛的各種燈、環(huán)境控制系統(tǒng)以及其他電子系統(tǒng)供電。此外，當(dāng)再次需要發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，電池必須能給啟動(dòng)器供電。這種極端的電池加載情況引入了另一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，這一次是電氣方面的挑戰(zhàn)，因?yàn)橹貑l(fā)動(dòng)機(jī)需要大量吸取電流，這又可能使電池電壓暫時(shí)被拉低至 5V。對(duì) LED 驅(qū)動(dòng)器的挑戰(zhàn)是，當(dāng)電池總線電壓短暫下降至 5V、然后返回標(biāo)稱的 13.8V (這時(shí)充電器返回穩(wěn)定狀態(tài)) 時(shí)，持續(xù)提供良好穩(wěn)定的輸出電壓和 LED 電流。
當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)處于寒冷或冰凍溫度一段時(shí)間后，會(huì)發(fā)生“冷車發(fā)動(dòng)”情況。在這種情況下，機(jī)油變得極度黏滯，需要發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器提供更大的扭矩，這又導(dǎo)致從電池吸取更大的電流。這么大的負(fù)載電流可能在點(diǎn)火時(shí)將電池 / 主總線電壓拉低至不到 5V，之后該電壓一般返回到標(biāo)稱的 13.8V。就發(fā)動(dòng)機(jī)控制、行車安全和導(dǎo)航系統(tǒng)等應(yīng)用而言，在發(fā)生冷車發(fā)動(dòng)情況時(shí)，保持良好穩(wěn)定的輸出電壓 (通常為 5V) 是非常重要的，這樣才能在車輛啟動(dòng)時(shí)，持續(xù)保持電源系統(tǒng)工作。
如果電池電纜在交流發(fā)電機(jī)仍然在對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)意外斷接，則將發(fā)生“負(fù)載突降”的情況。當(dāng)電池電纜在汽車工作時(shí)出現(xiàn)松動(dòng)、或者電池電纜在汽車行駛時(shí)出現(xiàn)斷裂，這種情況就有可能發(fā)生。電池電纜的這種突然斷接有可能導(dǎo)致高達(dá) 60V 的瞬態(tài)電壓尖峰，因?yàn)榻涣靼l(fā)電機(jī)試圖給不存在的電池完全充電。交流發(fā)電機(jī)上的瞬態(tài)電壓抑制器通常將總線電壓箝位在 30V 至 34V 之間，并吸收大部分浪涌電流；但是，交流發(fā)電機(jī)下游的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和 LED 驅(qū)動(dòng)器要承受高達(dá) 36V 的瞬態(tài)電壓尖峰。在這類瞬態(tài)事件發(fā)生時(shí)，要求這些 LED 驅(qū)動(dòng)器不僅不被損壞，還必須持續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓和 LED 電流。
一種面向汽車應(yīng)用的同步降壓-升壓型高亮度 LED 驅(qū)動(dòng)器
幸運(yùn)的是，對(duì)這些難題已經(jīng)有了新的解決辦法，那就是凌力爾特的 LT3791 LED 驅(qū)動(dòng)器。LT3791 是一款同步降壓-升壓型 DC/DC LED 驅(qū)動(dòng)器和電壓控制器，可提供超過(guò) 100W 的 LED 功率。其 4.7V 至 60V 的輸入電壓范圍使該器件非常適用于多種應(yīng)用，其中包括汽車、卡車甚至航空電子的高亮度 LED 前燈。類似地，其輸出電壓可以在 0V 至 60V 的范圍內(nèi)設(shè)定，從而能驅(qū)動(dòng)多種單串 LED。
典型的 50W 前燈應(yīng)用如圖 2 所示。這個(gè)應(yīng)用運(yùn)用單個(gè)電感器，以在 2A 時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)一個(gè) 25V 的 LED 串，并提供 50W LED 功率。該電路可提供一個(gè) 50:1 的 PWM 調(diào)光比，非常適合于滿足防眩目自動(dòng)調(diào)光要求。對(duì)輸入和輸出 (LED) 電流均進(jìn)行了監(jiān)視，同時(shí)提供了故障保護(hù)功能，以安然承受并報(bào)告 LED 開(kāi)路或短路情況。
圖 2：效率為 98%、功率為 50W (25V、2A) 的降壓-升壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器具 50:1 的調(diào)光比
其內(nèi)部的 4 個(gè)降壓-升壓型開(kāi)關(guān)控制器在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓時(shí)工作，從而非常適用于汽車等應(yīng)用，在這類應(yīng)用中，輸入電壓在啟動(dòng) / 停止、冷車發(fā)動(dòng)和負(fù)載突降情況下可能變化很大。在降壓、直通和升壓工作模式之間的轉(zhuǎn)換是無(wú)縫的，從而不管電源電壓的變化范圍有多寬，都能提供良好的穩(wěn)壓輸出。LT3791 的獨(dú)特設(shè)計(jì)采用了 3 個(gè)控制環(huán)路，以監(jiān)視輸入電流、LED 電流和輸出電壓，并提供最佳性能和可靠性。
LT3791 運(yùn)用 4 個(gè)外部開(kāi)關(guān) MOSFET，可連續(xù)提供從 50W 直至超過(guò) 100W 的 LED 功率，效率高達(dá) 98%，如圖 3 所示。在以傳統(tǒng)方式供電的車輛中，高效率是非常重要，因?yàn)榭勺畲笙薅冉档蛯?duì)散熱器的需求，從而實(shí)現(xiàn)占板面積非常緊湊的扁平解決方案。而在電動(dòng)汽車 (EV) 中，這種功率節(jié)省可在充電之間增加車輛運(yùn)行的里程數(shù)，這是非常寶貴的。
±6% 的 LED 電流準(zhǔn)確度確保 LED 串提供恒定照明，同時(shí) ±2% 的輸出電壓準(zhǔn)確度可提供幾種 LED 保護(hù)功能，并使轉(zhuǎn)換器能作為恒定電壓源工作。LT3791 可按照應(yīng)用要求，采用模擬或 PWM 調(diào)光方法。此外，其開(kāi)關(guān)頻率可在 200 kHz 至 700 kHz 范圍內(nèi)設(shè)定，或同步至一個(gè)外部時(shí)鐘。其他特點(diǎn)包括輸出斷接、輸入和輸出電流監(jiān)視器以及集成的故障保護(hù)。
圖 3：圖 2 中 LED 的效率
EFFICIENCY：效率
INPUT VOLTAGE：輸入電壓
BOOST：升壓
BUCK-BOOST：降壓-升壓
BUCK：降壓
結(jié)論
對(duì)更高性能和更高成本效益永無(wú)止境的需求驅(qū)動(dòng)了高亮度 LED 應(yīng)用，尤其是對(duì)汽車前燈應(yīng)用的持續(xù)加速增長(zhǎng)。這些需求必須由新型高亮度 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 來(lái)滿足。新型 LED 驅(qū)動(dòng)器必須提供恒定電流，無(wú)論輸入電壓或 LED 正向電壓如何變化，都可保持均勻的亮度，并以高效率工作，而且提供非常寬的調(diào)光范圍和各種保護(hù)功能，進(jìn)而提高系統(tǒng)可靠性。當(dāng)然，這些 LED 驅(qū)動(dòng)器電路還必須能構(gòu)成占板面積非常緊湊、扁平和熱效率非常高的解決方案。幸運(yùn)的是，凌力爾特不斷重新定義其 LED 驅(qū)動(dòng)器系列，以利用 LT3791 這類高亮度 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 迎頭戰(zhàn)勝這些挑戰(zhàn)。此外，凌力爾特已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一個(gè)完整的大電流 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 系列，該系列專門針對(duì)汽車應(yīng)用，適用于從先進(jìn)的前向照明前燈到 LCD 背光照明的各種應(yīng)用。汽車照明系統(tǒng)持續(xù)需要更高性能的 LED 驅(qū)動(dòng)器，現(xiàn)在，設(shè)計(jì)師有了創(chuàng)新的 IC 解決方案來(lái)滿足這種需求了。 |
