LED跻身汽车前照灯竞争者的行列

2009年02月12日14:28:42 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

Keith Szolusha，应用工程师，凌力尔特公司

在高档豪华车型中，基于LED的汽车前照灯是热门的外在特征，但是，我们应该了解它们的其它特性，这一点是很重要。在汽车前照灯的设计方面赋予了汽车设计师前所未有的自由度。其与众不同的外观和有利于环保的技术使豪华型汽车制造商在市场上拥有了可以炫耀的资本，并在充满竞争的环境中彰显出别具一格的独特风采。LED拥有着耗能少、价格低和坚固耐用的特点。它们的工作温升低、效率高，从而为当今高端汽车中的众多其他电子功能节省了宝贵的电池电量和发生器带宽，而且其耐用性也远远优于其他的照明技术。

目前，市面上有三种基于灯泡的汽车前照灯，这些汽车前照灯可以很容易地通过其发光的颜色来识别，即：白炽灯（微黄光）、卤素灯（黄白光）和HID（高强度气体放电灯——蓝光）。白炽灯泡和卤素灯泡采用的是灯丝，将肯定会以烧毁而告终。在如今的市场上，它们暗淡的黄色外观被看作是“陈旧”和“便宜”（因为找不到更好的词语来描述了）的象征。HID灯泡没有灯丝，使用寿命长一些（采用高电压电荷来点燃气体，以产生非常亮的光），但是高电压电子元件和灯泡既昂贵，又易损，而且高色温还导致其发光带有轻微的“蓝色”。纵然“艳蓝”（或“艳紫”）色HID灯具有令人叫绝之处，但高昂的造价仍将成为其广泛应用的重大障碍。除此之外，不能调光也是其一大缺憾。

白光HB（高亮度）LED串使汽车前照灯设计师能够对其新车型的照明系统进行了全面改造。可以把这种LED串分布或重塑成有趣而特别和前所未见的形状。Audi R8 LED昼间行驶灯就是一个很好的例子（采用了一个约10W的LED）。您完全可以想象一款采用50W LED的完整汽车前照灯。Cadillac Escalade Platinum将于2008年夏天推出首款50W LED汽车前照灯，另外，Mercedes、Lexus和Audi公司均郑重表示将步其后尘。竞争已经拉开帷幕。

LED的优点

与其他类型的汽车前照灯相比，LED汽车前照灯具有多项技术优势。

l 实现了高效率LED驱动器（效率>93%）与高每瓦流明白光LED的组合，以抑制所需的电池电流。汽车电子产品的成长以及燃料成本的飚升产生了对高效率电子元件的需求，旨在较大限度地降低发生器所承受的负载和电池的电量消耗。

l LED发光的颜色既可以是真实的白光（尽可能地接近日光），也可以是任何的暖色白光以模仿“老式”汽车前照灯，从而营造出“念旧”的外观感受，此时，LED发出的光显得“守旧”但却很明亮。

l LED串的使用寿命预计将超过汽车的寿命，从而给车主吃了一颗“定心丸”——昂贵的汽车前照灯发生故障以及被更换的可能性将得到较大限度的降低（如果不能完全消除的话）。

l 可以采用成本较低且易于使用的电子元件来驱动50W LED汽车前照灯。DC/DC转换器LED驱动器被直接连接至电池，而无需担心电池电压的大范围变动。诸如HID等其他的高功率汽车前照灯技术需要采用非常高电压（难以处理而且很危险）的电子元件，并且必需承受由此产生的费用。相比于其他替代方案，LED本身的成本低得多，而且，破碎的LED更换起来代价也不高。

l 采用LED可以实现即时接通和关断。由于它们是由一个受控的恒定电流驱动器来供电的，因此还能够进行PWM（脉宽调制）调光，并在一个很宽的亮度设定值范围内实现即时运行，而不会改变发光的颜色。

驱动一个50W LED汽车前照灯需要些什么？

负责驱动LED的DC/DC转换器是汽车前照灯设计中至关重要的一环。这种转换器必须能够以恒定和受控的LED电流来对一个50W LED汽车前照灯进行高效供电，并把一个可在宽范围内变动的电池电压作为工作电源。想利用分立元件或者哪怕是线性稳压器来完成上述任务将会很困难，甚至是不可能的。如果再增添一些其他的基本要求，例如：恒定彩色条件下的高调光比（PWM调光）、低电流消耗、高效率（旨在保护电池系统）、较低的成本、低EMI、高温条件下的可操作性、短路保护和开路LED保护等，将会使事情进一步复杂化，而且这个问题看起来似乎难以对付。

解决方案是采用开关稳压器。例如：凌力尔特公司的LT3755是一款高效率LED驱动器DC/DC转换器IC，专为驱动汽车前照灯而设计。这使得它能够非常容易地完成一个领先LED汽车前照灯系统的装配、测试和设计。

50W升压型LED驱动器

LED串可以由任何能够在LED串两端产生正确的电压、并对流过LED串的电流进行调节的DC/DC转换器来驱动。在大多数场合中，较棘手的问题是选择适合某项任务的较佳稳压器IC。LT3755升压型LED驱动器IC具有易于从汽车电池来驱动50W LED串、同时保持高LED电流准确度的特点。

图1. 用于1A/50V汽车前照灯的LT3755 50W升压型LED驱动器具有高效率和250:1的PWM调光比。

汽车电池的工作范围为8V至16V（存在高达36V的短暂瞬变）。图1所示的50W汽车前照灯驱动器的输入电压范围为8V至36V（对于一个50V的1A LED串）。鉴于输出电压高于输入电压，升压拓扑结构便成为了必然的选择，以实现较有效和简单的DC/DC转换器解决方案。

图2. 50W升压型LED驱动器的效率高于93%（在12V输入条件下）。

该电路所具备的极高效率较大限度地减小了汽车前照灯施加在当今豪华型汽车中的极苛刻电子负载上的应力。如图2所示，在12V输入条件下，该电路的效率高于93%。豪华型私家轿车、SUV和小型货车装饰了过多的附件和电子功能，从而在发生器和电池的待机功率上施加了一个很重的负载。当汽车停驶或引擎被关闭时，从导航装置到用于反光镜调节的电动机无一不在消耗着少量的功率。汽车电子产品必须具备高效率，并在汽车引擎被关闭时消耗很低的功率。对于图1中的电路而言，当照明灯关闭时，12V停机电流 <50μA。

由于拥有了改变汽车前照灯亮度的能力，因此为诸多新功能的问世开辟了道路。LED串的亮度可以简单地通过降低流经LED的电流来减弱。通过减小恒定电流（模拟调光）或在满电流条件下以脉动的方式使LED电流断续地导通和关断（PWM调光），便能完成上述任务。

PWM调光显然要比模拟调光复杂，但它具有一个重要的优点，即：PWM调光保持了相同的LED彩色（这与亮度无关），而当采用模拟调光时，LED的发光颜色会发生变化。这是因为所有LED的彩色都会随着工作电流的变化而改变。

在PWM调光中，亮度是通过以某种恒定频率来接通和关断LED进行控制的。重要的是应采用一个足够高的频率（≥100Hz），这样人眼就不会察觉到闪烁。由于周期的“接通”部分始终具有相同的电流，因此LED的彩色不受影响。调光是通过改变占空比来实现的。虽然在任何给定的时刻流过LED的实际电流是“零”或“完全导通”，但调整占空比将有效地改变流过LED的平均电流。

图3. LT3755 LED驱动器电路的PWM调光波形显示：ILED在100Hz的高调光比条件下保持了恒定的彩色（a）50:1调光比（b）100:1调光比（c）250:1调光比。

LT3755汽车前照灯电路的亮度可以运用模拟调光方法进行相当准确的调光（通过CTRL引脚电压调节至其满电流水平的1/50）。利用一个至PWM引脚的微控制器输入，LT3755还能够提供高得多而且非常准确的调光比。图3（a、b、c）中的PWM调光波形示出了对于高达0.4%亮度的50:1、100:1和250:1 PWM调光比（当采用一个100Hz PWM调光频率时）。

图4. LED电流与电池电压的关系——CTRL模拟调光使LED电流折返（V_IN < 10V，而且具迟滞的欠压闭锁低于8V输入）。

PWM调光的频率应为100Hz或更高，这样普通人眼在低照度条件下（此时照明灯将很有可能处于工作状态）就不会察觉到它。人类的周围视觉和低照度视觉通常能够察觉到高达80Hz的频率（有些人甚至能觉察到更高的频率）。虽然可以增加PWM调光频率，但较大PWM调光比将成比例地减小。较高的DC/DC转换器开关频率也可提供较高的PWM调光比，但这里选择的是400kHz，旨在把开关电源的主要EMI分量排除在AM频段以外。

图1所示DC/DC转换器前端上的滤波器用于限制传导EMI。借助少量简单的L和C元件，可减少返回电池和其他电子电路的传导频谱。把开关频率设定为400kHz将使EMI的主要分量处于AM频段（从500kHz至2MHz）以外。

图5. LT3755 50W LED驱动器的传导EMI符合CISP

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