LED躋身汽車前照燈競爭者的行列

Keith Szolusha，應(yīng)用工程師，凌力爾特公司

在高檔豪華車型中，基于LED的汽車前照燈是熱門的外在特征，但是，我們應(yīng)該了解它們的其它特性，這一點是很重要。在汽車前照燈的設(shè)計方面賦予了汽車設(shè)計師前所未有的自由度。其與眾不同的外觀和有利于環(huán)保的技術(shù)使豪華型汽車制造商在市場上擁有了可以炫耀的資本，并在充滿競爭的環(huán)境中彰顯出別具一格的獨特風(fēng)采。LED擁有著耗能少、價格低和堅固耐用的特點。它們的工作溫升低、效率高，從而為當(dāng)今高端汽車中的眾多其他電子功能節(jié)省了寶貴的電池電量和發(fā)生器帶寬，而且其耐用性也遠遠優(yōu)于其他的照明技術(shù)。

目前，市面上有三種基于燈泡的汽車前照燈，這些汽車前照燈可以很容易地通過其發(fā)光的顏色來識別，即：白熾燈（微黃光）、鹵素?zé)簦�黃白光）和HID（高強度氣體放電燈——藍光）。白熾燈泡和鹵素?zé)襞莶捎玫氖菬艚z，將肯定會以燒毀而告終。在如今的市場上，它們暗淡的黃色外觀被看作是“陳舊”和“便宜”（因為找不到更好的詞語來描述了）的象征。HID燈泡沒有燈絲，使用壽命長一些（采用高電壓電荷來點燃氣體，以產(chǎn)生非常亮的光），但是高電壓電子元件和燈泡既昂貴，又易損，而且高色溫還導(dǎo)致其發(fā)光帶有輕微的“藍色”�？v然“艷藍”（或“艷紫”）色HID燈具有令人叫絕之處，但高昂的造價仍將成為其廣泛應(yīng)用的重大障礙。除此之外，不能調(diào)光也是其一大缺憾。

白光HB（高亮度）LED串使汽車前照燈設(shè)計師能夠?qū)ζ湫萝囆偷恼彰飨到y(tǒng)進行了全面改造�？梢园堰@種LED串分布或重塑成有趣而特別和前所未見的形狀。Audi R8 LED晝間行駛燈就是一個很好的例子（采用了一個約10W的LED）。您完全可以想象一款采用50W LED的完整汽車前照燈。Cadillac Escalade Platinum將于2008年夏天推出首款50W LED汽車前照燈，另外，Mercedes、Lexus和Audi公司均鄭重表示將步其后塵。競爭已經(jīng)拉開帷幕。

LED的優(yōu)點

與其他類型的汽車前照燈相比，LED汽車前照燈具有多項技術(shù)優(yōu)勢。

l           實現(xiàn)了高效率LED驅(qū)動器（效率>93%）與高每瓦流明白光LED的組合，以抑制所需的電池電流。汽車電子產(chǎn)品的成長以及燃料成本的飚升產(chǎn)生了對高效率電子元件的需求，旨在較大限度地降低發(fā)生器所承受的負載和電池的電量消耗。

l           LED發(fā)光的顏色既可以是真實的白光（盡可能地接近日光），也可以是任何的暖色白光以模仿“老式”汽車前照燈，從而營造出“念舊”的外觀感受，此時，LED發(fā)出的光顯得“守舊”但卻很明亮。

l           LED串的使用壽命預(yù)計將超過汽車的壽命，從而給車主吃了一顆“定心丸”——昂貴的汽車前照燈發(fā)生故障以及被更換的可能性將得到較大限度的降低（如果不能完全消除的話）。

l           可以采用成本較低且易于使用的電子元件來驅(qū)動50W LED汽車前照燈。DC/DC轉(zhuǎn)換器LED驅(qū)動器被直接連接至電池，而無需擔(dān)心電池電壓的大范圍變動。諸如HID等其他的高功率汽車前照燈技術(shù)需要采用非常高電壓（難以處理而且很危險）的電子元件，并且必需承受由此產(chǎn)生的費用。相比于其他替代方案，LED本身的成本低得多，而且，破碎的LED更換起來代價也不高。

l           采用LED可以實現(xiàn)即時接通和關(guān)斷。由于它們是由一個受控的恒定電流驅(qū)動器來供電的，因此還能夠進行PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)光，并在一個很寬的亮度設(shè)定值范圍內(nèi)實現(xiàn)即時運行，而不會改變發(fā)光的顏色。

驅(qū)動一個50W LED汽車前照燈需要些什么？

負責(zé)驅(qū)動LED的DC/DC轉(zhuǎn)換器是汽車前照燈設(shè)計中至關(guān)重要的一環(huán)。這種轉(zhuǎn)換器必須能夠以恒定和受控的LED電流來對一個50W LED汽車前照燈進行高效供電，并把一個可在寬范圍內(nèi)變動的電池電壓作為工作電源。想利用分立元件或者哪怕是線性穩(wěn)壓器來完成上述任務(wù)將會很困難，甚至是不可能的。如果再增添一些其他的基本要求，例如：恒定彩色條件下的高調(diào)光比（PWM調(diào)光）、低電流消耗、高效率（旨在保護電池系統(tǒng)）、較低的成本、低EMI、高溫條件下的可操作性、短路保護和開路LED保護等，將會使事情進一步復(fù)雜化，而且這個問題看起來似乎難以對付。

解決方案是采用開關(guān)穩(wěn)壓器。例如：凌力爾特公司的LT3755是一款高效率LED驅(qū)動器DC/DC轉(zhuǎn)換器IC，專為驅(qū)動汽車前照燈而設(shè)計。這使得它能夠非常容易地完成一個領(lǐng)先LED汽車前照燈系統(tǒng)的裝配、測試和設(shè)計。

50W升壓型LED驅(qū)動器

LED串可以由任何能夠在LED串兩端產(chǎn)生正確的電壓、并對流過LED串的電流進行調(diào)節(jié)的DC/DC轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動。在大多數(shù)場合中，較棘手的問題是選擇適合某項任務(wù)的較佳穩(wěn)壓器IC。LT3755升壓型LED驅(qū)動器IC具有易于從汽車電池來驅(qū)動50W LED串、同時保持高LED電流準(zhǔn)確度的特點。

圖1. 用于1A/50V汽車前照燈的LT3755 50W升壓型LED驅(qū)動器具有高效率和250:1的PWM調(diào)光比。

汽車電池的工作范圍為8V至16V（存在高達36V的短暫瞬變）。圖1所示的50W汽車前照燈驅(qū)動器的輸入電壓范圍為8V至36V（對于一個50V的1A LED串）。鑒于輸出電壓高于輸入電壓，升壓拓撲結(jié)構(gòu)便成為了必然的選擇，以實現(xiàn)較有效和簡單的DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案。

圖2. 50W升壓型LED驅(qū)動器的效率高于93%（在12V輸入條件下）。

該電路所具備的極高效率較大限度地減小了汽車前照燈施加在當(dāng)今豪華型汽車中的極苛刻電子負載上的應(yīng)力。如圖2所示，在12V輸入條件下，該電路的效率高于93%。豪華型私家轎車、SUV和小型貨車裝飾了過多的附件和電子功能，從而在發(fā)生器和電池的待機功率上施加了一個很重的負載。當(dāng)汽車停駛或引擎被關(guān)閉時，從導(dǎo)航裝置到用于反光鏡調(diào)節(jié)的電動機無一不在消耗著少量的功率。汽車電子產(chǎn)品必須具備高效率，并在汽車引擎被關(guān)閉時消耗很低的功率。對于圖1中的電路而言，當(dāng)照明燈關(guān)閉時，12V停機電流 <50μA。

由于擁有了改變汽車前照燈亮度的能力，因此為諸多新功能的問世開辟了道路。LED串的亮度可以簡單地通過降低流經(jīng)LED的電流來減弱。通過減小恒定電流（模擬調(diào)光）或在滿電流條件下以脈動的方式使LED電流斷續(xù)地導(dǎo)通和關(guān)斷（PWM調(diào)光），便能完成上述任務(wù)。

PWM調(diào)光顯然要比模擬調(diào)光復(fù)雜，但它具有一個重要的優(yōu)點，即：PWM調(diào)光保持了相同的LED彩色（這與亮度無關(guān)），而當(dāng)采用模擬調(diào)光時，LED的發(fā)光顏色會發(fā)生變化。這是因為所有LED的彩色都會隨著工作電流的變化而改變。

在PWM調(diào)光中，亮度是通過以某種恒定頻率來接通和關(guān)斷LED進行控制的。重要的是應(yīng)采用一個足夠高的頻率（≥100Hz），這樣人眼就不會察覺到閃爍。由于周期的“接通”部分始終具有相同的電流，因此LED的彩色不受影響。調(diào)光是通過改變占空比來實現(xiàn)的。雖然在任何給定的時刻流過LED的實際電流是“零”或“完全導(dǎo)通”，但調(diào)整占空比將有效地改變流過LED的平均電流。

圖3. LT3755 LED驅(qū)動器電路的PWM調(diào)光波形顯示：ILED在100Hz的高調(diào)光比條件下保持了恒定的彩色（a）50:1調(diào)光比（b）100:1調(diào)光比（c）250:1調(diào)光比。

LT3755汽車前照燈電路的亮度可以運用模擬調(diào)光方法進行相當(dāng)準(zhǔn)確的調(diào)光（通過CTRL引腳電壓調(diào)節(jié)至其滿電流水平的1/50）。利用一個至PWM引腳的微控制器輸入，LT3755還能夠提供高得多而且非常準(zhǔn)確的調(diào)光比。圖3（a、b、c）中的PWM調(diào)光波形示出了對于高達0.4%亮度的50:1、100:1和250:1 PWM調(diào)光比（當(dāng)采用一個100Hz PWM調(diào)光頻率時）。

圖4. LED電流與電池電壓的關(guān)系——CTRL模擬調(diào)光使LED電流折返（V_IN < 10V，而且具遲滯的欠壓閉鎖低于8V輸入）。

PWM調(diào)光的頻率應(yīng)為100Hz或更高，這樣普通人眼在低照度條件下（此時照明燈將很有可能處于工作狀態(tài)）就不會察覺到它。人類的周圍視覺和低照度視覺通常能夠察覺到高達80Hz的頻率（有些人甚至能覺察到更高的頻率）。雖然可以增加PWM調(diào)光頻率，但較大PWM調(diào)光比將成比例地減小。較高的DC/DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率也可提供較高的PWM調(diào)光比，但這里選擇的是400kHz，旨在把開關(guān)電源的主要EMI分量排除在AM頻段以外。

圖1所示DC/DC轉(zhuǎn)換器前端上的濾波器用于限制傳導(dǎo)EMI。借助少量簡單的L和C元件，可減少返回電池和其他電子電路的傳導(dǎo)頻譜。把開關(guān)頻率設(shè)定為400kHz將使EMI的主要分量處于AM頻段（從500kHz至2MHz）以外。

圖5. LT3755 50W LED驅(qū)動器的傳導(dǎo)EMI符合CISP

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