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          EEPW首頁(yè) > 電源與新能源 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 汽車(chē)前燈需要降壓-升壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器

          汽車(chē)前燈需要降壓-升壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器

          作者: 時(shí)間:2012-08-01 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          背景
          今天,就連的定義也在不斷演變,變化之多遠(yuǎn)勝以往。過(guò)去 100 年中,采用內(nèi)燃動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的一直占據(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)。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/176593.htm

          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(chēng)為混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)),我們有了多種動(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(chē)的開(kāi)發(fā),汽車(chē)變得更加依賴(lài)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(chē)設(shè)計(jì)有一方面相對(duì)地穩(wěn)定,那就是為了在夜間或在天氣條件不夠完美的情況下行車(chē),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) 的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變,從而為高亮度 開(kāi)拓了一條增長(zhǎng)之路。
          今年,高亮度 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)域之一是 LED 應(yīng)用于汽車(chē)設(shè)計(jì)。汽車(chē)應(yīng)用包括前燈、白天行車(chē)燈和剎車(chē)燈以及儀表板顯示器背光照明和所有車(chē)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(chē)前照燈和防眩目調(diào)光。此外,在汽車(chē)環(huán)境中,所有這些改進(jìn)都必須進(jìn)行優(yōu)化,同時(shí)還要承受相對(duì)嚴(yán)酷的汽車(chē)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(chē)燈、剎車(chē)燈、轉(zhuǎn)向信號(hào)燈和內(nèi)部照明已經(jīng)好幾年了,但是特定于前燈的應(yīng)用仍然相對(duì)較少。目前,只有少數(shù)投產(chǎn)車(chē)型提供 LED 前燈,其中包括奧迪 (Audi) A8和 R8、雷克薩斯 (Lexus) LS600h 和 RX450h、豐田普銳斯 (Toyota Prius) 和凱迪拉克凱雷德 (Cadillac Escalade)。有人估計(jì),2011 年 LED 前燈市場(chǎng)大約為 10 億美元,2014 年預(yù)計(jì)將超過(guò) 20 億美元。
          汽車(chē)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?LED 一般準(zhǔn)確、高效率的 DC 電流源,還調(diào)光,所以 LED IC 必須設(shè)計(jì)成能在多種條件下滿足這些要求。結(jié)果,電源解決方案必須是高效率、功能堅(jiān)固和非常可靠,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(chē)前燈應(yīng)用,因?yàn)檫@類(lèi)應(yīng)用要經(jīng)受苛刻的汽車(chē)電氣環(huán)境的考驗(yàn),必須提供大功率,一般在 50W 至 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(chē) 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(chē)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(chē)燈,這些燈圍繞在前燈周?chē)?,如果把前燈比作眼睛,那么這些行車(chē)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(chē)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(chē)。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(lèi)燈憑 50W 的電功率可提供大約 1500 流明的光輸出,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) 就是每瓦 30 流明 (即 30lm/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(lèi)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),例如:為了不造成迎面而來(lái)的車(chē)輛看不清路況,需要準(zhǔn)確調(diào)節(jié);工作壽命相對(duì)較短,為 2000 小時(shí);使用有毒的水銀蒸氣;制造費(fèi)用很高。隨著高亮度 LED 的功效持續(xù)提高,這類(lèi) LED 已經(jīng)成為前燈應(yīng)用更希望使用的產(chǎn)品。5 年前,已用在汽車(chē)中的高亮度 LED 提供 50lm/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 100lm/W 功效,而且估計(jì)用不了幾年,就將超過(guò) 150lm/W 的功效,從而超過(guò)甚至最好的高強(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。
          1:已用在汽車(chē)中的 LED 前燈
          在汽車(chē)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),這超過(guò)了汽車(chē)的壽命。因此汽車(chē)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(chē)款式能得到極大的改變,因?yàn)?LED 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(chē)總線吸取更少的電功率,在電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)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(chē)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 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, 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?chē)電源總線可靠工作,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(chē)電子瞬態(tài)造成的挑戰(zhàn):停止 / 啟動(dòng)、冷車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)輛中。美國(guó)福特汽車(chē)公司已宣布,將在很多面向美國(guó)市場(chǎng)的 2012 車(chē)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(chē)輛停止時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉,然后在要求車(chē)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(chē)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% 至高達(dá) 10%。不過(guò),此類(lèi)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(chē)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 秒,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??焖僦貑?,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(chē)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(chēng)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(chē)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(chē)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(chēng)的 13.8V。就發(fā)動(dòng)機(jī)控制、行車(chē)安全和導(dǎo)航系統(tǒng)等應(yīng)用而言,在發(fā)生冷車(chē)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(chē)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)仍然在對(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(chē)工作時(shí)出現(xiàn)松動(dòng)、或者電池電纜在汽車(chē)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 至 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(lèi)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(chē)應(yīng)用的同步降壓-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-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 至 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(chē)、卡車(chē)甚至航空電子的高亮度 LED 前燈。類(lèi)似地,其輸出電壓可以在 0V 至 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 2 所示。這個(gè)應(yīng)用運(yùn)用單個(gè)電感器,以在 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,非常適合于滿足防眩目自動(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。
          2:效率為 98%、功率為 50W (25V2A) 的降壓- 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(chē)等應(yīng)用,在這類(lèi)應(yīng)用中,輸入電壓在啟動(dòng) / 停止、冷車(chē)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 直至超過(guò) 100W 的 LED 功率,效率高達(dá) 98%,如圖 3 所示。在以傳統(tǒng)方式供電的車(chē)輛中,高效率是非常重要,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(chē) (EV) 中,這種功率節(jié)省可在充電之間增加車(chē)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 LED 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 至 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)。
          3:圖 2 LED 的效率
          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(chē)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)器電路還必須能構(gòu)成占板面積非常緊湊、扁平和熱效率非常高的解決方案。幸運(yùn)的是,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(lèi)高亮度 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 迎頭戰(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(zhuān)門(mén)針對(duì)汽車(chē)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(chē)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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