新型 LED 車前燈和 DRL 需要高性能的 LED 驅(qū)動器

背景

雖然 LED 被許多汽車照明應(yīng)用所廣泛接納已經(jīng)好多年了，包括日間行車燈、剎車燈、轉(zhuǎn)向燈和車內(nèi)照明等，但專門針對車前燈應(yīng)用的 LED 還是比較新。目前，僅有少數(shù)量產(chǎn)車提供了 LED 前燈，其中包括本田雅閣、奧迪A8 和 R8、雷克薩斯 LS600h 和 RX450h、豐田普瑞斯、凱迪拉克凱雷德以及保時(shí)捷卡宴。有些業(yè)界估計(jì)數(shù)據(jù)表明，2013 年 LED 前燈市場大約為 15 億美元，預(yù)計(jì)到 2014 年，該市場將超過 30 億美元，并繼續(xù)以指數(shù)級增長。

汽車照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師最大的挑戰(zhàn)之一是：怎樣優(yōu)化最新一代高亮度 LED 的所有優(yōu)勢。高亮度 LED 需要一個(gè)準(zhǔn)確、高效率的 DC 電流源，要有調(diào)光方法，而且必須提供各種保護(hù)功能。此外，這些 LED 的驅(qū)動器 IC 必須設(shè)計(jì)為能在多種多樣的條件下滿足上述要求。因此，電源解決方案必須效率非常高、提供堅(jiān)固的功能和可靠性，同時(shí)又是非常緊湊和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的?？梢哉f，就驅(qū)動高亮度 LED 而言，要求最苛刻的應(yīng)用就是汽車前燈照明應(yīng)用，包括白天行車燈和前燈，因?yàn)檫@類應(yīng)用所處的是嚴(yán)酷的汽車電氣環(huán)境，必須提供大功率，一般在 15W 至 75W 之間，還必須放入空間非常有限的外殼中，在達(dá)到所有這一切要求的同時(shí)，還要保持富有吸引力的成本結(jié)構(gòu)。

圖 1：2013 本田雅閣旅行/混合動力車型的 LED 白天行車燈和前燈

LED 白天行車燈和前燈

尺寸小、壽命極長、低功耗、更強(qiáng)的調(diào)光能力等優(yōu)勢，是高亮度 LED 白天行車燈和前燈得到廣泛采用的催化劑。幾家汽車制造商 (例如奧迪和梅塞德斯奔馳、以及雷克薩斯和豐田) 都用 LED 設(shè)計(jì)了非常獨(dú)特的白天行車燈，讓這些白天行車燈成為前燈的“眉毛”或“底線”，以此彰顯品牌的獨(dú)有魅力。這些應(yīng)用不僅從設(shè)計(jì)角度來看非常獨(dú)特，而且在提供可靠、具成本效益的解決方案時(shí)也有一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。隨著高亮度 LED 逐步用在近光和遠(yuǎn)光前燈中，這些挑戰(zhàn)也變得愈加顯著了。

用 LED 構(gòu)成汽車前燈和白天行車燈有很多優(yōu)勢，產(chǎn)生了幾種積極影響。首先，LED 燈從不需要更換，因?yàn)樗鼈兊目煽繅勖L達(dá) 10 萬小時(shí)以上 (使用年限為 11.5 年)，超過了車輛的壽命。這就允許汽車制造商將 LED 燈永久性地嵌入到車身中，而無需為進(jìn)行更換留出操作余地。LED 燈還有助于極大地改變車輛款式，因?yàn)? LED 照明系統(tǒng)不需要高強(qiáng)度放電燈或鹵素?zé)羲璧纳疃然蛎娣e。從輸入電功率提供光輸出 (以流明為單位) 時(shí)，高亮度 LED 燈還比鹵素?zé)舻男矢? (而且不久就將超過高強(qiáng)度放電燈)。這有兩種積極影響。首先，可以耗費(fèi)更少的汽車總線電功率，這在電動型汽車和混合動力型汽車中尤其重要，同樣重要的是，效率高還可以減少需要在外殼中散出的熱量，從而無需任何笨重、昂貴的散熱器。最后，通過在前燈陣列中使用高亮度 LED 陣列，并以電子方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向以及調(diào)光，可以很容易地設(shè)計(jì) LED 陣列，并為很多不同的驅(qū)動情況而優(yōu)化照明。

設(shè)計(jì)參數(shù)

為了確保最佳性能和長工作壽命，LED 需要一種有效的驅(qū)動電路。這意味著，無論輸入電壓源怎樣變化，驅(qū)動器 IC 都必須高效率地提供準(zhǔn)確的 DC 電流并提供準(zhǔn)確的 LED 電壓調(diào)節(jié)。其次，驅(qū)動器 IC 必須提供一種調(diào)光方法，還要提供多種保護(hù)功能，以防遭遇 LED 開路或短路故障。除了依靠電氣環(huán)境十分惡劣的汽車電源總線可靠地工作，驅(qū)動器 IC 還必須經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，節(jié)省空間。

起 / 停、冷車發(fā)動和負(fù)載突降情況

雖然汽車系統(tǒng)電源總線在交流發(fā)電機(jī)給電池充電時(shí)采用 14V 的標(biāo)稱電壓供電運(yùn)作，但是汽車運(yùn)轉(zhuǎn)中不同的狀況會導(dǎo)致該電壓短暫地下降到低至 6V (在冷車發(fā)動或車輛起 / 停期間)。在非常寒冷的天氣里，冷車發(fā)動狀態(tài)會從電池抽取很大的電流以彌補(bǔ)發(fā)動機(jī)潤滑油的高粘度，而這又會把電壓拉低至大約 6V。同樣，一輛采用起 / 停功能的汽車也會在引擎重新發(fā)動時(shí)將電池電壓拉到 6V 左右，而電池在車輛的發(fā)動機(jī)和交流發(fā)電機(jī)關(guān)閉時(shí)將承擔(dān)照明、空調(diào)和其他車載娛樂設(shè)備的繁重供電任務(wù)。當(dāng)電池電纜意外斷接 / 重接 (即：出現(xiàn)松動) 而交流發(fā)電機(jī)仍然對電池進(jìn)行充電時(shí)，就會發(fā)生負(fù)載突降情況，從而導(dǎo)致高達(dá) 60V 的瞬態(tài)電壓尖峰。

短路保護(hù)

就白天行車燈和前燈而言，單串高亮度 LED 串中包括 6 到 20 個(gè) LED。由于標(biāo)稱輸入電壓為 13.8V，在某些瞬態(tài)情況下甚至更低，所以一般首選升壓型 LED 驅(qū)動器架構(gòu)，因?yàn)檫@種架構(gòu)比 SEPIC 或降壓-升壓型設(shè)計(jì)效率更高、更簡單和具成本效率。不過，直到不久前，升壓型架構(gòu)一直難以抵御短路的影響。在汽車應(yīng)用中這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)?LED 在前端碰撞中容易被損壞，而且任何電弧都可能點(diǎn)燃濺出的汽油。由于這個(gè)原因，過去大多數(shù)前端照明 LED 應(yīng)用都采用更昂貴和更復(fù)雜的 SEPIC 解決放案，這種解決方案具備固有的短路保護(hù)能力。然而，隨著新的和具備非常堅(jiān)固保護(hù)能力的升壓型 LED 驅(qū)動器的出現(xiàn)，未來的應(yīng)用將會采用這種設(shè)計(jì)，以提供效率更高和具成本效益的解決方案。