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汽车前灯需要降压-升压型 LED 驱动器

Jeff Gruetter?? 凌力尔特电源产品部高级产品市场工程师?? 2012年06月08日 ?? 收藏0
背景

如今汽车的定义在不断演变,变化之多远胜以往。在过去100年里,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仍相对地稳定,那就是为了在夜间或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就是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,必须对所有这些改进都进行优化,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有几年了,但是特定于前灯的应用仍然相对较少,只有少数投产车型提供LED前灯。有人估计,2011年LED前灯市场大约为10亿美元,到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。所以,电源解决方案必须是高效率、功能坚固和非常可靠的,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~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,这类灯凭借其具有的50W的电功率可提供大约1,500 lm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30 lm/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,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,仅为2,000小时;使用有毒的水银蒸汽;制造费用很高。随着高亮度 LED 的功效持续提高,这类LED已经成为前灯更希望使用的产品。5年前,已用在汽车中的高亮度LED提供50 lm/W功效,这还不足以用于前灯应用,然而现在的LED设计提供100 lm/W功效,而且估计用不了几年,就将超过150 lm/W的功效,从而甚至能超过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。

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),甚至超过了汽车的寿命。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。

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