汽車 LED 前燈不斷演變

背景信息

如果您和我年齡相仿，您可能仍然記得傳統(tǒng)鎢絲燈泡。我之所以這么說(shuō)是因?yàn)?，多?shù)美國(guó)家庭過(guò)去通常使用的 40W 和 60W 白熾燈，從 2013 年末已經(jīng)禁止在美國(guó)生產(chǎn)或向美國(guó)進(jìn)口了 (不過(guò)這種燈仍然可以買到)。還有一件事也應(yīng)該提到，75W 和 100W 照明燈 2012 年已經(jīng)淘汰了。這些燈遭到淘汰的原因是，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署 (EPA) 要求提高電-光輸出功效。這么要求的主要理由是，有助于降低電耗 (因此降低了發(fā)電量)，因?yàn)槭聦?shí)上，美國(guó)住宅照明約占美國(guó)電力消耗的 14% (數(shù)據(jù)來(lái)源： Energy Information Administration)。固態(tài) LED 照明燈僅需要約 1/8 的電力，就可產(chǎn)生同等流明的光輸出，因此 LED 燈已經(jīng)成功進(jìn)入了我們今天的世界。

照明燈從白熾燈到固態(tài)電子燈的演變過(guò)程與目前發(fā)生在汽車行業(yè)中的車輛照明的轉(zhuǎn)變類似。盡管紅光 LED 燈已經(jīng)用在尾燈中 10 多年了，但是只是在最近，汽車內(nèi)部和前向照明系統(tǒng)的變化才導(dǎo)致 LED 燈的采用率出現(xiàn)了顯著提高。例如，超過(guò) 70% 的汽車內(nèi)部指示燈和超過(guò) 45% 的儀表顯示器背光照明采用了 LED 燈。相比之下，目前 55% 的白天行車燈 (DRL) 和大約 5% 的前燈采用了 LED 燈。盡管前燈 (近光、遠(yuǎn)光、霧燈) 代表著最大的商機(jī)，但也是滲透率最低的市場(chǎng)，很多人發(fā)現(xiàn)了這一矛盾，我就是其中之一。出現(xiàn)這種明顯矛盾的主要原因之一是成本，汽車制造商無(wú)法以消費(fèi)者愿意支付的價(jià)格提供 LED 前燈。

汽車前燈

在探討前燈采用率低的背景原因之前，了解一下為什么很多駕駛員甚至原始設(shè)備制造商都偏愛(ài) LED 照明解決方案，而這是很有用的。LED 照明解決方案受到偏愛(ài)的原因包括但不限于以下各項(xiàng)：

· 性能和設(shè)計(jì)靈活性 D LED 外形尺寸小，因此提供了設(shè)計(jì)靈活性，LED 還提供范圍很大的調(diào)光能力。記住，人眼對(duì)光輸出的微小偏差是非常敏感的。

· 節(jié)能和較低的二氧化碳排放量 D LED 不僅具備較高的功效，因而降低了為它們供電所需的能量，而且還具備顯著地延長(zhǎng)的生命周期。

· 成本 D 這個(gè)特點(diǎn)似乎與直覺(jué)相悖，但是在非前燈應(yīng)用中，成本持續(xù)下降、耐用性和卓越的質(zhì)量已經(jīng)使 LED 成為最終消費(fèi)者價(jià)值的新標(biāo)準(zhǔn)。

· 監(jiān)管 D 很多政府法規(guī)規(guī)定了對(duì)白天行車燈和前燈以及其他照明應(yīng)用的要求，這些法規(guī)導(dǎo)致對(duì) LED 照明的需求增大了。

奧迪被普遍認(rèn)為是 LED 應(yīng)用的領(lǐng)導(dǎo)者，我想，任何人對(duì)這一點(diǎn)都不會(huì)感到驚訝，因?yàn)閵W迪在幾乎任何外部汽車照明應(yīng)用中都使用了 LED。任何人在后視鏡中看到奧迪著名的“眼眉”白天行車燈，都會(huì)覺(jué)得非常引人注目。此外，奧迪是第一家使用 LED 前燈的汽車制造商，用在了 2004 年的奧迪 R8 中。

那么， LED 前燈為什么沒(méi)有像用于其他形式汽車照明的 LED 那樣流行起來(lái)呢? 答案當(dāng)然是成本?？梢匀〈?LED 前燈的其他產(chǎn)品包括：白熾燈、鹵素?zé)艋蚋呙芏确烹?(HID) 氙氣燈。可比 LED 燈的價(jià)格可能比鹵素前燈 (1962 年首先在歐洲推出，但直到 1978 年才在美國(guó)得到采用) 高 100%，比 HID氙氣燈 (要實(shí)現(xiàn)與 HID 氙氣前燈可比的性能，需要一個(gè)比更低性能鹵素?zé)魞r(jià)格高得多的 LED 解決方案) 高 1.5 倍。順便提一句，首款 HID 氙氣前燈出現(xiàn)于 1991 年的寶馬 7 系列中。

一般而言，LED 前燈的亮度介于鹵素?zé)艉?HID 燈之間，但是 LED 燈的光線聚焦度高得多，而且還可以控制產(chǎn)生不同形狀。此外，由于 LED 燈尺寸很小，因此允許使用各種擺放和安裝方式，汽車制造商能夠開(kāi)發(fā)各種形狀的 LED 燈和組裝方法，以完美地與車型相配。盡管 LED 發(fā)光時(shí)不產(chǎn)生熱量，但是通電時(shí)，在它們的發(fā)射器底部確實(shí)產(chǎn)生一定的熱量，因此對(duì)相鄰組件和連接電纜造成了潛在風(fēng)險(xiǎn)。由于這個(gè)原因，LED 前燈需要冷卻系統(tǒng) (例如散熱器或風(fēng)扇) 以避免熔化。此外，這類冷卻系統(tǒng)位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，對(duì)于其他一些需要保持合適溫度的系統(tǒng)而言，發(fā)動(dòng)機(jī)艙不是個(gè)太涼爽的區(qū)域。這是 LED 前燈更難以設(shè)計(jì)、更難以在汽車中采用的另一個(gè)原因，也因此比 HID 燈價(jià)格更高。

圖 1：這個(gè)例子顯示矩陣式 LED 前燈是怎樣發(fā)送光線的

不過(guò)，故事到這里還沒(méi)講完。我最近在美國(guó)行業(yè)媒體上讀到一篇文章，文中稱，奧迪已開(kāi)始在高性能 R8 中提供可選激光遠(yuǎn)光燈。這種激光照明燈有一點(diǎn)非常出色，能夠在前燈保持打開(kāi)的情況下自我調(diào)節(jié)，使光線不落在前面行駛的車輛上，甚至多達(dá)前面 8 輛車。與 LED 前燈相比，奧迪的激光聚光燈可以照到 2 倍遠(yuǎn)的距離 (超過(guò) 500 英尺)，從而為駕駛員提供了距離更遠(yuǎn)的可見(jiàn)度。

最新 IC 有助于 LED 前燈的采用

白熾燈要產(chǎn)生光輸出，所需全部條件就是其燈絲中要有電流通過(guò)，與此不同，LED 需要專門的集成電路來(lái)驅(qū)動(dòng)。

今天，LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 必須具有的一個(gè)關(guān)鍵性能特點(diǎn)是能夠充分調(diào)光。LED 是用恒定電流驅(qū)動(dòng)的，其 DC 電流值與 LED 亮度成比例。要通過(guò)控制 LED 電流改變 LED 亮度，有兩種調(diào)光方法。第一種是模擬調(diào)光，通過(guò)降低恒定的 LED 電流值，成比例地降低 LED 的 DC 電流值。降低 LED 電流可能導(dǎo)致 LED 色彩改變，或者 LED 電流控制不準(zhǔn)確。第二種方法是數(shù)字或脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 調(diào)光。PWM 調(diào)光以等于或高于 100Hz 的頻率接通和斷開(kāi) LED，這樣的變化人眼察覺(jué)不到。PWM 調(diào)光占空比與 LED 亮度成比例，而接通時(shí)的 LED 電流值保持在由 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 設(shè)定的值，從而在高調(diào)光比時(shí)保持了 LED 顏色的恒定。在某些應(yīng)用中，這種 PWM 調(diào)光方法可實(shí)現(xiàn) 3000 : 1 的調(diào)光比。

凌力爾特的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 能夠以滿足輸入電壓范圍和所需的輸出電壓及電流范圍之轉(zhuǎn)換拓?fù)?、為很多不同類型?LED 配置提供充足的電流和電壓，尤其是在驅(qū)動(dòng)高亮度 LED 時(shí)。因此，凌力爾特的高亮度 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 一般具備以下特性：

· 寬輸入電壓范圍

· 寬輸出電壓范圍

· 高效率轉(zhuǎn)換

· 嚴(yán)格調(diào)節(jié)的 LED 電流匹配

· 以低噪聲、恒定頻率工作

· 獨(dú)立的電流和調(diào)光控制

· 寬調(diào)光范圍比

· 小型和緊湊的占板面積，所需外部組件最少

為滿足驅(qū)動(dòng)汽車前燈中常見(jiàn) LED 所產(chǎn)生的特定設(shè)計(jì)需求，凌力爾特提供了種類繁多的產(chǎn)品。最近的一個(gè)例子是新推出的 LT3965，這是一款能提供 80V 輸入和輸出電壓的恒定電流和恒定電壓轉(zhuǎn)換器。其拓?fù)涫乖撈骷軌蝌?qū)動(dòng)大電流 LED。參見(jiàn)圖 2。該器件具備一個(gè)內(nèi)部低壓側(cè) N 溝道功率 MOSFET，輸入額定值為 84V、3.3A，由一個(gè)內(nèi)部調(diào)節(jié)的 7.15V 電源驅(qū)動(dòng)。固定頻率、電流模式架構(gòu)可在很寬的電源和輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。以地為基準(zhǔn)的電壓 FB 引腳作為幾個(gè) LED 保護(hù)功能的輸入，還使該轉(zhuǎn)換器可以作為一個(gè)恒定電壓源使用。頻率調(diào)節(jié)引腳使用戶能夠在 100kHz 至 1MHz 范圍內(nèi)設(shè)定頻率，以優(yōu)化效率、性能或外部組件尺寸。

LT3956 在 LED 串的高壓側(cè)檢測(cè)輸出電流 (常稱為高壓側(cè)電流檢測(cè))。這是最靈活的 LED 驅(qū)動(dòng)方法，可實(shí)現(xiàn)升壓、降壓或降壓-升壓模式配置。

圖 2：驅(qū)動(dòng)一個(gè)串連 LED 串的 LT3956 電路原理圖

VIN 6V to 60V：VIN 6V 至 60V

(80V TRANSIENT)：(80V 瞬態(tài))

25W LED STRING：25W LED 串

結(jié)論

我相信，盡管 LED 前燈目前的市場(chǎng)滲透率低，但是顯然，性能提升太有吸引力了，汽車制造商對(duì) LED 燈目前這種態(tài)度不可能持續(xù)太久。產(chǎn)生吸引力的原因包括：提高駕駛員行車安全性、靈活改變車身造型的能力、節(jié)能以及純粹為了實(shí)現(xiàn)好看的外觀。我們都知道，汽車外觀好看，我們就想買。您以后在駕車四處行走時(shí)，請(qǐng)留心看一下矩陣式照明，因?yàn)楫?dāng)您看向后視鏡時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，矩陣式照明及 LED 前燈的使用將有大幅增加。