【導讀】現在，LED 已經用在白天行車燈、剎車燈、轉向信號燈和內部照明中，但在前燈的應用還較新。LED 在汽車前燈的應用極為苛刻：必須適用嚴酷的電氣環境，必須提供大功率，必須體積小，必須成本結構低……然而，在汽車前向照明中應用LED似乎是大勢所趨，因為高性能的LED 驅動器已經出現。
2012 年，高亮度 (HB) LED 的市場規模預計將達到 120 億美元，到 2015 年，該市場將增長至 202 億美元，年復合增長率達到 30.6% 。促使 LED 這種顯著增長的關鍵應用領域之一是 LED 在汽車設計中的使用。LED 在汽車中的應用范圍包括前燈、白天行車燈、剎車燈和轉向信號燈，儀表板顯示及背光照明，還有所有種類的車內照明燈。由于客戶都有風格偏好和安全需求，幾乎所有新車型都提供 LED 白天行車燈 (DRL)。本田雅閣的大多數 2013 車型都采用了 LED 白天行車燈，并在旅行車型和混合動力車型中提供了 LED 前燈 (參見圖 1)。為了保持這種令人驚嘆的增長率，LED 不僅必須提供更強的可靠性、更低的功耗和更緊湊的外形尺寸，而且還必須實現可轉向前燈、防眩調光等創新設計。此外，在汽車環境中，LED 所有這些改進都必須優化，同時還要承受條件相對苛刻的汽車電氣和物理環境。不言而喻，這些解決方案還必須提供非常扁平、緊湊的占板面積，同時提高總體性價比。
盡管幾年來，LED 已經用在白天行車燈、剎車燈、轉向信號燈和內部照明中，但是特定于前燈的應用還相對較新。目前，僅有少數量產車提供了 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捷卡宴。有些業界估計數據表明，2012 年 LED 前燈市場大約為 10 億美元，預計到 2014 年，該市場將超過 20 億美元，并繼續以指數級增長。
汽車照明系統設計師最大的挑戰之一是：怎樣優化最新一代高亮度 LED 的所有優勢。高亮度 LED 需要一個準確、高效率的 DC 電流源，要有調光方法，而且必須提供各種保護功能。此外，這些 LED 的驅動器 IC 必須設計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、提供堅固的功能和可靠性，同時又是非常緊湊和經濟實惠的。可以說，就驅動高亮度 LED 而言，要求最苛刻的應用就是汽車前燈照明應用，包括白天行車燈和前燈，因為這類應用所處的是嚴酷的汽車電氣環境，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，在達到所有這一切要求的同時，還要保持富有吸引力的成本結構。
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、更強的調光能力等優勢，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 設計了非常獨特的白天行車燈，讓這些白天行車燈成為前燈的“眉毛”或“底線”，以此彰顯品牌的獨有魅力。這些應用不僅從設計角度來看非常獨特，而且在提供可靠、具成本效益的解決方案時也有一些設計挑戰。隨著高亮度 LED 逐步用在近光和遠光前燈中，這些挑戰也變得愈加顯著了。
大家熟知的是，前燈的主要功能是在夜間或者在不太理想的天氣情況下 (例如雨天、雪天和霧天) 提供前向照明。需要更高的照明度一直是前燈發展的主要驅動力。在上世紀 80 年代，鹵素燈成為業界標準，憑借 50W 的電功率，這類燈能提供大約 1500 流明的光，這比其之前的鎢絲燈發光量提高了 50%。這樣的發光量轉換成功效 (即大家熟知的每瓦光輸出) 或每瓦提供的光，就是每瓦 30 流明 (30lm/W)。在上世紀 90 年代，高強度放電 (HID) 氙燈成為主流，因為這類燈能提供 80lm/W，從而使制造商能提供更大的總體光輸出。不過，氙燈也有缺點，例如：需要準確地調節，以避免使對面的車輛看不清道路；工作壽命相對短，僅為 2000 小時；使用有毒的水銀氣體和制造費用昂貴。隨著高亮度 LED 燈的功效持續提高，這類燈已經變得更加理想地適用于前燈應用了。5 年前，量產高亮度 LED 燈提供 50lm/W 的功效，這還不足以用于前燈應用，不過，目前的 LED 設計可提供 100lm/W 光輸出，而且估計在接下來的幾年內，光輸出將超過 150lm/W，這甚至超過了最好的高強度放電燈。LED 能提供大致相同的每瓦光輸出量，而且還有其他一些優點，包括長壽命、堅固性和環保設計，因此用 LED 構成新一代前燈變得尤其有吸引力了。
用 LED 構成汽車前燈和白天行車燈有很多優勢，產生了幾種積極影響。首先，LED 燈從不需要更換，因為它們的可靠壽命長達 10 萬小時以上 (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，因為 LED 照明系統不需要高強度放電燈或鹵素燈所需的深度或面積。從輸入電功率提供光輸出 (以流明為單位) 時，高亮度 LED 燈還比鹵素燈的效率高 (而且不久就將超過高強度放電燈)。這有兩種積極影響。首先，可以耗費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，并以電子方式進行轉向以及調光，可以很容易地設計 LED 陣列，并為很多不同的驅動情況而優化照明。
LED 驅動電路設計參數
為了確保最佳性能和長工作壽命，LED 需要一種有效的驅動電路。這意味著，無論輸入電壓源怎樣變化，驅動器 IC 都必須高效率地提供準確的 DC 電流并提供準確的 LED 電壓調節。其次，驅動器 IC 必須提供一種調光方法，還要提供多種保護功能，以防遭遇 LED 開路或短路故障。除了依靠電氣環境十分惡劣的汽車電源總線可靠地工作，驅動器 IC 還必須經濟實惠，節省空間。
停/啟、冷車發動和負載突降情況
為了最大限度地提高燃油里程，同時盡量減少二氧化碳排放量，各種可選擇的驅動技術一直在不斷發展。不論這些新技術采用的是電動混合、清潔柴油還是更傳統的內燃發動機設計，它們都有可能還需要采用停-啟馬達設計。在世界各地的所有混合動力型汽車設計中，停-啟馬達已經普遍存在了，很多歐洲和亞洲的汽車制造商也已經在傳統的汽油和柴油汽車中采用了這類停-啟設計。福特汽車公司不久前在美國宣布，將在即將推出面向美國國內市場的車型中采用停-啟系統。
就發動機而言，停-啟系統的概念簡單易懂，當車輛停止時，發動機關閉，然后當要求車輛再次移動時，發動機立即重新啟動。在車輛停在車流中或停在紅燈處時，這可以節省燃油，減少尾氣排放。這種停-啟設計可以將燃油消耗和尾氣排放分別減少 5% 至 10%。然而，這種設計的最大挑戰是，不讓駕駛員感覺到整個停-啟過程。要想讓駕駛員感覺不到停-啟動作，會遇到兩個主要的設計障礙。第一個是快速重啟。有些制造商利用增強的啟動器設計，已經將重啟時間縮短至不到 0.5s，從而使重啟過程真正不被感覺到。第二個設計挑戰是，當發動機關閉時，保持車中所有電子系統正常運行，包括由電池直接供電的空調系統和照明系統；同時保持足夠的電力儲備，以在要加速時快速重啟發動機。
為了納入停-啟功能，動力傳動系統的設計需要進行一些修改。也就是說，原來的交流發電機可能還要兼作增強的發動機啟動器，以確保快速重啟。此外，必須增加一個停-啟電子控制單元 (ECU)，以控制發動機何時以及怎樣啟動和停止。在發動機 / 交流發電機關閉時，電池必須能給車燈、環境控制以及其他電子系統供電。另外，當發動機需要再次啟動時，電池必須能給啟動器供電。這種極端的電池加載要求又引入了另一個設計挑戰，這是一個電氣方面的挑戰，因為重啟發動機需要吸取很大的電流，這可能暫時將電池電壓拉低至 6V。對于 LED 驅動器的挑戰是，當電池總線電壓短暫降至 6V、然后在充電器回到穩定狀態時返回 13.8V 標稱值時，連續提供良好穩定的輸出電壓和 LED 電流。
汽車發動機處于寒冷或冰凍溫度中一段時間以后，會發生冷車發動情況。發動機油變得極度粘稠，需要發動機啟動器提供更大的扭矩，這又需要從電池吸取更大的電流。這種大的負載電流可能在一點火時，將電池 / 主總線電壓拉至低于 6V，之后，該電壓一般會返回到 13.8V 的標稱值。
當電池電纜意外斷接而交流發電機仍然在給電池充電時，就會發生負載突降。當電池電纜連接松動而汽車正在運行，或者當電池電纜斷開而汽車正在運轉，都會發生這種負載突降情況。這種電池電纜的突然斷接可能導致高達 60V 的瞬態電壓尖峰，因為交流發電機試圖全力給一個已經不在的電池充電。交流發電機上的瞬態電壓抑制器通常將總線電壓箝位在 30V 至 34V，并吸收大部分浪涌；不過，交流發電機下游的 DC/DC 轉換器和 LED 驅動器會遭遇高達 36V 的瞬態電壓尖峰。人們不僅期望這些 LED 驅動器能承受這樣的電壓尖峰，而且在發生這些瞬態事件時，這些 LED 驅動器還必須連續調節輸出電壓和 LED 電流。
下頁內容：短路保護和EMI 問題
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汽車前向照明應用LED短路保護
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 LED。由于標稱輸入電壓為 13.8V，在某些瞬態情況下甚至更低，所以一般首選升壓型 LED 驅動器架構，因為這種架構比 SEPIC 或降壓-升壓型設計效率更高、更簡單和具成本效率。不過，直到不久前，升壓型架構一直難以抵御短路的影響。在汽車應用中這一點尤其重要，因為 LED 在前端碰撞中容易被損壞，而且任何電弧都可能點燃濺出的汽油。由于這個原因，過去大多數前端照明 LED 應用都采用更昂貴和更復雜的 SEPIC 解決放案，這種解決方案具備固有的短路保護能力。然而，隨著新的和具備非常堅固保護能力的升壓型 LED 驅動器的出現，未來的應用將會采用這種設計，以提供效率更高和具成本效益的解決方案。
汽車前向照明應用LED的EMI 問題
降低 LED 驅動器的任何電磁干擾 (EMI) 都有利于電源總線的總體設計。因為 LED 驅動器通常是基于開關穩壓器的，所以降低開關噪聲是人們所希望的。這可以通過采用擴展頻譜頻率調制來實現。正如在圖 2 中可以看到的那樣，這種調制方法通過在較寬的頻率范圍內擴展頻譜，將輸出開關噪聲降低了 20dB，從而極大地減輕了 EMI 問題。
圖 2：LT3795 輸出噪聲頻譜比較
(RAMP 引腳接地 = 常規切換，RAMP 引腳端 47nF = 擴展頻譜)
AMPLITUDE：幅度
FREQUENCY：頻率
RAMP PIN GROUNDED：RAMP 引腳接地
47nF AT RAMP PIN：RAMP 引腳端 47nF
一種新的汽車高亮度 LED 驅動器控制器
幸運的是，對這些困境有一種新的解決方案，那就是凌力爾特公司的 LT3795 LED 驅動器。LT3795 是一款升壓型 DC/DC LED 驅動器，可提供超過 100W 的 LED 功率。該器件具備 6V 至 110V 的輸入電壓范圍，因此非常適用于汽車、商用卡車甚至航空系統中的多種高亮度 LED 應用。其高壓側電流檢測設計可配置為升壓模式、降壓-升壓模式、SEPIC 和降壓模式架構，從而可提供多種設計靈活性。此外，其輸出電壓可以在 0V 至 110V 的范圍內設定，從而能驅動多種單串 LED，同時在升壓型設計中，能提供非常堅固和簡單的短路保護。
一種典型的 50W 前燈應用如圖 3 所示。這個應用采用了升壓型架構，以提供高達 87V 的 LED 電壓，該電壓能以超過 600mA 的 LED 電流驅動多達 20 個 LED。大多數白天行車燈都采用 8 到 15 個 LED，電流在 350mA 范圍內，而近光前燈會采用約為 50V 的 1A LED，遠光前燈則可能采用高達 2A 和 50V。LT3795 可用于所有這些應用。
圖 3：具備輸入電流限制和擴展頻譜頻率調制、效率為 93%、功率為 50W (87V、575mA) 的降壓型 LED 驅動器
LT3795 采用高壓側電流檢測方法，從而使該器件能用于升壓型、降壓型、降壓-升壓型或 SEPIC 和反激式拓撲。此外，LT3795 提供輸入和輸出電流限制及監視，以增強可靠性和設計靈活性。LT3795 在升壓模式還可以提供超過 94% 的效率，從而最大限度地減小了對外部散熱器的需求。頻率調節引腳使用戶能在 100kHz 至 1MHz 范圍內設定頻率，從而可優化效率，同時最大限度地減小外部組件的尺寸和成本。還可以啟動擴展頻譜頻率調制，以通過將開關頻率降低 20dB 來改善電磁兼容性。
LT3795 集成了短路保護功能，當檢測到短路時，該功能使穩壓器停止切換，并斷開 LED 陣列與電源通路的連接。此外，該器件還通過 SHORTLED 引腳報告短路情況。在短路保護啟動以后，可以設定 LT3795 以運用“打嗝” (Hiccup) 模式，看短路是否已得到糾正，或運用鎖斷模式，該模式要求切換 EN/ULVO 以重新啟動該器件。不管輸出電壓高低，這種功能都為升壓以及降壓-升壓型應用提供了非常堅固的短路保護。此外，LT3795 還提供 LED 開路保護并報告開路情況，這樣如果一串 LED 中的某個 LED 開路了，這些 LED 就不會被損壞。
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LT3795 提供 ±3% 的 LED 電流準確度，這可確保用在一個 LED 串提供恒定照明，同時該器件 ±2% 的輸出電壓準確度允許提供幾種 LED 保護功能，還使轉換器能作為衡定電壓源工作。LT3795 可運用 PWM 調光提供高達 3000:1 的調光比，或提供調光比高達 20:1 的模擬調光。其他功能包括輸出斷接、輸入和輸出電流限制 / 監視器以及集成的故障保護。該器件的高集成度和耐熱增強型 TSSOP-28 封裝可構成非常緊湊的高亮度 LED 驅動器解決方案。
圖 4：采用 LT3795 的圖 3 所示電路之 LED 效率
Efficiency vs VIN：效率隨 VIN 的變化
Hiccup Mode Latchoff Mode
圖 5：圖 3 所示電路在打嗝模式和鎖斷模式的短路保護
Hiccup Mode：打嗝模式
Latchoff Mode：鎖斷模式
/DIV：每格
對更高性能和更高性價比永無止境的需求，促進了高亮度 LED 應用的持續加速增加，尤其是在汽車白天行車燈和前燈中的 LED 應用。這種需求必須要有新的高亮度 LED 驅動器 IC 才能滿足。這些 LED 驅動器必須提供恒定電流，無論輸入電壓或 LED 正向電壓怎樣變化，都能保持一致的亮度，同時這些 LED 驅動器還必須以高效率工作、提供非常寬的調光范圍、以及各種保護功能 (例如: 短路和開路保護) 以提高系統可靠性。當然，這種 LED 驅動器電路還必須提供占板面積非常緊湊、扁平和熱效率非常高的解決放案。幸運的是，凌力爾特公司不斷地重新定義 LED 驅動器系列，以憑借 LT3795 等高亮度 LED 驅動器 IC 應對這些挑戰。此外，我們已經開發了一個完整的大電流 LED 驅動器 IC 系列，該系列專門針對汽車應用，從先進的前向照明前燈到 LCD 背光照明，可用于多種應用。在汽車照明系統不斷要求性能更高的 LED 驅動器之際，設計師有了創新的 IC 解決方案以滿足他們的要求。
