背景

如今汽車的定義在不斷演變,，變化之多遠(yuǎn)勝以往。在過(guò)去100年里，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)有一方面仍相對(duì)地穩(wěn)定，那就是為了在夜間或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)域之一就是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,，必須對(duì)所有這些改進(jìn)都進(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)部照明已有幾年了，但是特定于前燈的應(yīng)用仍然相對(duì)較少,，只有少數(shù)投產(chǎn)車型提供LED前燈,。有人估計(jì)，2011年LED前燈市場(chǎng)大約為10億美元,，到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)楦吡炼萀ED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,。所以,，電源解決方案必須是高效率、功能堅(jiān)固和非?？煽康?，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~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),，這類燈憑借其具有的50W的電功率可提供大約1，500 lm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30 lm/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),，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,，僅為2,，000小時(shí)；使用有毒的水銀蒸汽,；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50 lm/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100 lm/W功效,，而且估計(jì)用不了幾年，就將超過(guò)150 lm/W的功效,，從而甚至能超過(guò)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,。

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),，甚至超過(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)長(zhǎng)ED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?？量痰钠囯娫纯偩€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% ~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 s,，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,，以確保快速重啟,。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)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 ~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 ~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 ~ 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1所示,。這個(gè)應(yīng)用運(yùn)用單個(gè)電感器，以在電流為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，非常適用于滿足防眩目自動(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 1，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 ~100W的LED功率,，效率高達(dá)98%,，如圖2所示。在以傳統(tǒng)方式供電的車輛中,，高效率非常重要,，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)確度確保為L(zhǎng)ED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 ~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 2,，圖 1 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)器電路還必須能使構(gòu)成占板的面積非常緊湊,、扁平和熱效率非常高,。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以戰(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(mén)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,。

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