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汽车前灯需要降压-升压型LED驱动器设计
发布时间：2013/10/10 10:04:00 来源：
背景
今天，就连汽车的定义也在不断演变，变化之多远胜以往。过去 100 年中，采用内燃动力传动系统的汽车一直占据主导地位，主要由汽油提供动力，还有少量的柴油动力传动系统。
可是现在，从纯电动型 (EV) 到高效率内燃传动系统，再到大量组合式传动系统 (常称为混合动力传动系统)，我们有了多种汽车动力传动系统。所有这些设计都有一个共同的目标，即提高燃油效率，同时减少碳排放量。新型动力总成设计包括直接燃料喷射、涡轮增压、引擎停止/启动系统、再生制动、乙醇含量较高的燃料以及较清洁的柴油燃烧。随着混合动力型汽车的开发，汽车变得更加依赖较清洁的电力来源了。尽管取得了如此大的进步，但是汽车设计有一方面相对地稳定，那就是为了在夜间或在天气条件不够完美的情况下行车，需要提供前向照明。此外，产生所需光照的方法也从采用卤素灯转变为采用高强度放电 (HID) 灯，最近又在向基于高亮度 (HB) LED 的设计转变，从而为高亮度 LED 开拓了一条增长之路。
今年，高亮度 LED 的市场规模预计将达到 120 亿美元，到 2015 年，这一数字将增长到 202 亿美元。年复合增长率为 30.6% (数据来源：Strategies Unlimited)。驱动这种显著增长的主要应用领域之一是 LED 应用于汽车设计。汽车应用包括前灯、白天行车灯和刹车灯以及仪表板显示器背光照明和所有车内梳妆照明灯。不过，为了保持如此显著的增长率，LED 必须提供更高的可靠性、更低的功耗和更紧凑的外形尺寸，而且还必须能实现创新性设计，例如可操控的汽车前照灯和防眩目调光。此外，在汽车环境中，所有这些改进都必须进行优化，同时还要承受相对严酷的汽车电气及物理环境的考验。不言而喻，这些解决方案必须提供非常扁平的外形和紧凑的占板面积，同时提高总体成本效益。
尽管 LED 用于白天行车灯、刹车灯、转向信号灯和内部照明已经好几年了，但是特定于前灯的应用仍然相对较少。目前，只有少数投产车型提供 LED 前灯，其中包括奥迪 (Audi) A8和 R8、雷克萨斯 (Lexus) LS600h 和 RX450h、丰田普锐斯 (Toyota Prius) 和凯迪拉克凯雷德 (Cadillac Escalade)。有人估计，2011 年 LED 前灯市场大约为 10 亿美元，2014 年预计将超过 20 亿美元。
汽车照明系统设计师面临的最大挑战之一是，如何最大限度地发挥最新一代高亮度 LED 的所有优势。因为高亮度 LED 一般需要准确、高效率的 DC 电流源，还需要调光，所以 LED 驱动器 IC 必须设计成能在多种条件下满足这些要求。结果，电源解决方案必须是高效率、功能坚固和非常可靠，同时还要非常紧凑并具有高成本效益。可以说，就驱动高亮度 LED 而言，要求最苛刻的应用之一是汽车前灯应用，因为这类应用要经受苛刻的汽车电气环境的考验，必须提供大功率，一般在 50W 至 75W 之间，还必须能装进空间非常受限的外壳中，同时在满足所有这些要求的情况下，还要保持有吸引力的成本结构。
汽车 LED 前灯
高亮度 LED 前灯有众多优势，例如尺寸小、寿命极长、功耗低以及增强了调光功能，这些优势成为高亮度 LED 前灯得到广泛采用的催化剂。一些汽车制造商，包括奥迪、奔驰以及最近加入的雷克萨斯，都已经用 LED 设计了与众不同的行车灯，这些灯围绕在前灯周围，如果把前灯比作眼睛，那么这些行车灯就像眉毛一样，制造商这么做是为了突出品牌特色，让人们还没看清车是什么样子的时候，就知道开过来的是哪个品牌的车。从设计的角度来说，这些应用独具特色，而且与近光和远光前灯相比，这些应用面临的设计挑战也不同。
我们都知道，前灯的主要功能是，在夜间或天气条件不够理想的情况下 (例如在雨、雪和雾天) 提供前向照明。需要更高的照明度一直是前灯发展的主要驱动力。上世纪 80 年代，卤素灯是业界标准，这类灯凭 50W 的电功率可提供大约 1500 流明的光输出，与其前几代产品相比，光输出提高了 50%。这一光输出转换成功效 (每瓦光输出) 就是每瓦 30 流明 (即 30lm/W)。上世界 90 年代中期，高强度放电 (HID) 氙灯成为主流，因为这类灯能提供高达 80 lm/W 的光输出，从而使制造商能提供更大的总体光输出。不过，氙灯也有缺点，例如：为了不造成迎面而来的车辆看不清路况，需要准确调节；工作寿命相对较短，为 2000 小时；使用有毒的水银蒸气；制造费用很高。随着高亮度 LED 的功效持续提高，这类 LED 已经成为前灯应用更希望使用的产品。5 年前，已用在汽车中的高亮度 LED 提供 50lm/W 功效，这还不足以用于前灯应用，然而现在的 LED 设计提供 100lm/W 功效，而且估计用不了几年，就将超过 150lm/W 的功效，从而超过甚至最好的高强度放电灯。LED 能提供大约同样的每瓦光输出量，而且还具有其他益处，例如长寿命、坚固性和环保设计，这些都使得用 LED 构成新一代前灯非常有吸引力。
图 1：已用在汽车中的 LED 前灯
在汽车前灯中使用 LED 有几项积极意义。首先，这些 LED 灯永远不需要更换，因为它们的可靠寿命长达 10 万小时以上 (相当于 11 年半的使用年限)，这超过了汽车的寿命。因此汽车制造商可以将 LED 永久性地嵌入到前灯设计中，而无需为更换留出余地。这还使汽车款式能得到极大的改变，因为 LED 照明系统不需要高强度放电灯或卤素灯那么大的深度或面积。在靠输入电功率提供光输出 (以流明量度) 方面，高亮度 LED 灯还比卤素灯的效率高 (而且不久就将超过高强度放电灯)。这会产生两种积极影响。首先，LED 灯从汽车总线吸取更少的电功率，在电动汽车和混合动力汽车中，这一点尤其重要。同样重要的是，LED 灯降低了需要在照明系统中散出的热量，从而无需笨重、昂贵的散热器。最后，通过使用高亮度 LED 阵列以及对 LED 阵列进行电子控制或调光，LED 前灯可以非常容易地设计成可为很多不同的行车条件优化照明。
设计参数
为了确保最佳性能和较长的工作寿命，LED 需要有效的驱动电路。不管输入电压源的变化范围有多宽，这些驱动器 IC 都必须提供准确、高效率的 DC 电流源和准确的 LED 电压调节。其次，驱动器 IC 必须提供调光方法和多种保护功能，以防遇到 LED 开路或短路故障。除了能靠电气环境非常苛刻的汽车电源总线可靠工作，驱动器 IC 还必须具有高成本效益并有效利用空间。
汽车电子瞬态造成的挑战：停止 / 启动、冷车发动和负载突降情况
为了最大限度地提高燃油里程，同时尽量降低碳排放量，可选择的动力驱动技术在不断演变。无论这些新技术纳入了混合电动、清洁柴油还是更传统的内燃机设计，它们都有可能采用停止-启动电动机设计。这种设计在全世界几乎所有的混合动力汽车中已十分普遍，停止-启动电动机设计已经普遍存在，很多欧洲和亚洲的汽车制造商也一直在将这种设计纳入传统的汽油和柴油车辆中。美国福特汽车公司已宣布，将在很多面向美国市场的 2012 车型中，采用停止-启动系统。
就发动机而言，停止-启动系统的概念很容易理解，当车辆停止时，发动机关闭，然后在要求车辆再次开动时，发动机立即重新启动。这样一来，当汽车在行驶中因交通情况或红灯而暂停时，就不会消耗燃油，也不会排放碳。这种停止-启动设计可将燃油消耗量和碳排放量降低 5% 至高达 10%。不过，此类设计所面临的最大挑战是：怎样使整个起停状况不为驾驶者所察觉。为避免驾驶者觉察汽车的起停能力，存在着两大设计障碍。第一个是快速重启时间。有些制造商利用增强的启动器设计，将重启时间降至不到 0.5 秒，从而使重启真正感觉不到。第二个设计挑战是，在发动机关闭时，保持所有电子系统直接由电池供电，包括空调系统和照明系统，而且同时仍然保持足够的电池电量储备，以在加速时快速重启发动机。
为了纳入停止-启动功能，的确需要对动力传动系统的设计进行一些修改。过去的交流发电机也许还要用作增强的电动机起动器，以确保快速重启，另外，必须增加一个停止-启动电子控制单元 (ECU)，以控制发动机何时以及怎样启动和停止。当发动机 / 交流发电机关闭时，电池必须能给车辆的各种灯、环境控制系统以及其他电子系统供电。此外，当再次需要发动机工作时，电池必须能给启动器供电。这种极端的电池加载情况引入了另一个设计挑战，这一次是电气方面的挑战，因为重启发动机需要大量吸取电流，这又可能使电池电压暂时被拉低至 5V。对 LED 驱动器的挑战是，当电池总线电压短暂下降至 5V、然后返回标称的 13.8V (这时充电器返回稳定状态) 时，持续提供良好稳定的输出电压和 LED 电流。
当汽车发动机处于寒冷或冰冻温度一段时间后，会发生“冷车发动”情况。在这种情况下，机油变得极度黏滞，需要发动机启动器提供更大的扭矩，这又导致从电池吸取更大的电流。这么大的负载电流可能在点火时将电池 / 主总线电压拉低至不到 5V，之后该电压一般返回到标称的 13.8V。就发动机控制、行车安全和导航系统等应用而言，在发生冷车发动情况时，保持良好稳定的输出电压 (通常为 5V) 是非常重要的，这样才能在车辆启动时，持续保持电源系统工作。
如果电池电缆在交流发电机仍然在对电池进行充电时意外断接，则将发生“负载突降”的情况。当电池电缆在汽车工作时出现松动、或者电池电缆在汽车行驶时出现断裂，这种情况就有可能发生。电池电缆的这种突然断接有可能导致高达 60V 的瞬态电压尖峰，因为交流发电机试图给不存在的电池完全充电。交流发电机上的瞬态电压抑制器通常将总线电压箝位在 30V 至 34V 之间，并吸收大部分浪涌电流；但是，交流发电机下游的 DC/DC 转换器和 LED 驱动器要承受高达 36V 的瞬态电压尖峰。在这类瞬态事件发生时，要求这些 LED 驱动器不仅不被损坏，还必须持续调节输出电压和 LED 电流。
一种面向汽车应用的同步降压-升压型高亮度 LED 驱动器
幸运的是，对这些难题已经有了新的解决办法，那就是凌力尔特的 LT3791 LED 驱动器。LT3791 是一款同步降压-升压型 DC/DC LED 驱动器和电压控制器，可提供超过 100W 的 LED 功率。其 4.7V 至 60V 的输入电压范围使该器件非常适用于多种应用，其中包括汽车、卡车甚至航空电子的高亮度 LED 前灯。类似地，其输出电压可以在 0V 至 60V 的范围内设定，从而能驱动多种单串 LED。
典型的 50W 前灯应用如图 2 所示。这个应用运用单个电感器，以在 2A 时准确地调节一个 25V 的 LED 串，并提供 50W LED 功率。该电路可提供一个 50:1 的 PWM 调光比，非常适合于满足防眩目自动调光要求。对输入和输出 (LED) 电流均进行了监视，同时提供了故障保护功能，以安然承受并报告 LED 开路或短路情况。
图 2：效率为 98%、功率为 50W (25V、2A) 的降压-升压型 LED 驱动器具 50:1 的调光比
其内部的 4 个降压-升压型开关控制器在输入电压高于、低于或等于输出电压时工作，从而非常适用于汽车等应用，在这类应用中，输入电压在启动 / 停止、冷车发动和负载突降情况下可能变化很大。在降压、直通和升压工作模式之间的转换是无缝的，从而不管电源电压的变化范围有多宽，都能提供良好的稳压输出。LT3791 的独特设计采用了 3 个控制环路，以监视输入电流、LED 电流和输出电压，并提供最佳性能和可靠性。
LT3791 运用 4 个外部开关 MOSFET，可连续提供从 50W 直至超过 100W 的 LED 功率，效率高达 98%，如图 3 所示。在以传统方式供电的车辆中，高效率是非常重要，因为可最大限度降低对散热器的需求，从而实现占板面积非常紧凑的扁平解决方案。而在电动汽车 (EV) 中，这种功率节省可在充电之间增加车辆运行的里程数，这是非常宝贵的。
±6% 的 LED 电流准确度确保 LED 串提供恒定照明，同时 ±2% 的输出电压准确度可提供几种 LED 保护功能，并使转换器能作为恒定电压源工作。LT3791 可按照应用要求，采用模拟或 PWM 调光方法。此外，其开关频率可在 200 kHz 至 700 kHz 范围内设定，或同步至一个外部时钟。其他特点包括输出断接、输入和输出电流监视器以及集成的故障保护。
图 3：图 2 中 LED 的效率
结论
对更高性能和更高成本效益永无止境的需求驱动了高亮度 LED 应用，尤其是对汽车前灯应用的持续加速增长。这些需求必须由新型高亮度 LED 驱动器 IC 来满足。新型 LED 驱动器必须提供恒定电流，无论输入电压或 LED 正向电压如何变化，都可保持均匀的亮度，并以高效率工作，而且提供非常宽的调光范围和各种保护功能，进而提高系统可靠性。当然，这些 LED 驱动器电路还必须能构成占板面积非常紧凑、扁平和热效率非常高的解决方案。幸运的是，凌力尔特不断重新定义其 LED 驱动器系列，以利用 LT3791 这类高亮度 LED 驱动器 IC 迎头战胜这些挑战。此外，凌力尔特已经开发出了一个完整的大电流 LED 驱动器 IC 系列，该系列专门针对汽车应用，适用于从先进的前向照明前灯到 LCD 背光照明的各种应用。汽车照明系统持续需要更高性能的 LED 驱动器，现在，设计师有了创新的 IC 解决方案来满足这种需求了。
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