LED躋身汽車前照燈競爭者的行列
Keith Szolusha,應用工程師,凌力爾特公司
在高檔豪華車型中,基于LED的汽車前照燈是熱門的外在特征,但是,我們應該了解它們的其它特性,這一點是很重要。在汽車前照燈的設計方面賦予了汽車設計師前所未有的自由度。其與眾不同的外觀和有利于環保的技術使豪華型汽車制造商在市場上擁有了可以炫耀的資本,并在充滿競爭的環境中彰顯出別具一格的獨特風采。LED擁有著耗能少、價格低和堅固耐用的特點。它們的工作溫升低、效率高,從而為當今高端汽車中的眾多其他電子功能節省了寶貴的電池電量和發生器帶寬,而且其耐用性也遠遠優于其他的照明技術。
目前,市面上有三種基于燈泡的汽車前照燈,這些汽車前照燈可以很容易地通過其發光的顏色來識別,即:白熾燈(微黃光)、鹵素燈(黃白光)和HID(高強度氣體放電燈——藍光)。白熾燈泡和鹵素燈泡采用的是燈絲,將肯定會以燒毀而告終。在如今的市場上,它們暗淡的黃色外觀被看作是“陳舊”和“便宜”(因為找不到更好的詞語來描述了)的象征。HID燈泡沒有燈絲,使用壽命長一些(采用高電壓電荷來點燃氣體,以產生非常亮的光),但是高電壓電子元件和燈泡既昂貴,又易損,而且高色溫還導致其發光帶有輕微的“藍色”。縱然“艷藍”(或“艷紫”)色HID燈具有令人叫絕之處,但高昂的造價仍將成為其廣泛應用的重大障礙。除此之外,不能調光也是其一大缺憾。
白光HB(高亮度)LED串使汽車前照燈設計師能夠對其新車型的照明系統進行了全面改造。可以把這種LED串分布或重塑成有趣而特別和前所未見的形狀。Audi R8 LED晝間行駛燈就是一個很好的例子(采用了一個約10W的LED)。您完全可以想象一款采用50W LED的完整汽車前照燈。Cadillac Escalade Platinum將于2008年夏天推出首款50W LED汽車前照燈,另外,Mercedes、Lexus和Audi公司均鄭重表示將步其后塵。競爭已經拉開帷幕。
LED的優點
與其他類型的汽車前照燈相比,LED汽車前照燈具有多項技術優勢。
l 實現了高效率LED驅動器(效率>93%)與高每瓦流明白光LED的組合,以抑制所需的電池電流。汽車電子產品的成長以及燃料成本的飚升產生了對高效率電子元件的需求,旨在較大限度地降低發生器所承受的負載和電池的電量消耗。
l LED發光的顏色既可以是真實的白光(盡可能地接近日光),也可以是任何的暖色白光以模仿“老式”汽車前照燈,從而營造出“念舊”的外觀感受,此時,LED發出的光顯得“守舊”但卻很明亮。
l LED串的使用壽命預計將超過汽車的壽命,從而給車主吃了一顆“定心丸”——昂貴的汽車前照燈發生故障以及被更換的可能性將得到較大限度的降低(如果不能完全消除的話)。
l 可以采用成本較低且易于使用的電子元件來驅動50W LED汽車前照燈。DC/DC轉換器LED驅動器被直接連接至電池,而無需擔心電池電壓的大范圍變動。諸如HID等其他的高功率汽車前照燈技術需要采用非常高電壓(難以處理而且很危險)的電子元件,并且必需承受由此產生的費用。相比于其他替代方案,LED本身的成本低得多,而且,破碎的LED更換起來代價也不高。
l 采用LED可以實現即時接通和關斷。由于它們是由一個受控的恒定電流驅動器來供電的,因此還能夠進行PWM(脈寬調制)調光,并在一個很寬的亮度設定值范圍內實現即時運行,而不會改變發光的顏色。
驅動一個50W LED汽車前照燈需要些什么?
負責驅動LED的DC/DC轉換器是汽車前照燈設計中至關重要的一環。這種轉換器必須能夠以恒定和受控的LED電流來對一個50W LED汽車前照燈進行高效供電,并把一個可在寬范圍內變動的電池電壓作為工作電源。想利用分立元件或者哪怕是線性穩壓器來完成上述任務將會很困難,甚至是不可能的。如果再增添一些其他的基本要求,例如:恒定彩色條件下的高調光比(PWM調光)、低電流消耗、高效率(旨在保護電池系統)、較低的成本、低EMI、高溫條件下的可操作性、短路保護和開路LED保護等,將會使事情進一步復雜化,而且這個問題看起來似乎難以對付。
解決方案是采用開關穩壓器。例如:凌力爾特公司的LT3755是一款高效率LED驅動器DC/DC轉換器IC,專為驅動汽車前照燈而設計。這使得它能夠非常容易地完成一個領先LED汽車前照燈系統的裝配、測試和設計。
50W升壓型LED驅動器
LED串可以由任何能夠在LED串兩端產生正確的電壓、并對流過LED串的電流進行調節的DC/DC轉換器來驅動。在大多數場合中,較棘手的問題是選擇適合某項任務的較佳穩壓器IC。LT3755升壓型LED驅動器IC具有易于從汽車電池來驅動50W LED串、同時保持高LED電流準確度的特點。
圖1. 用于1A/50V汽車前照燈的LT3755 50W升壓型LED驅動器具有高效率和250:1的PWM調光比。
汽車電池的工作范圍為8V至16V(存在高達36V的短暫瞬變)。圖1所示的50W汽車前照燈驅動器的輸入電壓范圍為8V至36V(對于一個50V的1A LED串)。鑒于輸出電壓高于輸入電壓,升壓拓撲結構便成為了必然的選擇,以實現較有效和簡單的DC/DC轉換器解決方案。
圖2. 50W升壓型LED驅動器的效率高于93%(在12V輸入條件下)。
該電路所具備的極高效率較大限度地減小了汽車前照燈施加在當今豪華型汽車中的極苛刻電子負載上的應力。如圖2所示,在12V輸入條件下,該電路的效率高于93%。豪華型私家轎車、SUV和小型貨車裝飾了過多的附件和電子功能,從而在發生器和電池的待機功率上施加了一個很重的負載。當汽車停駛或引擎被關閉時,從導航裝置到用于反光鏡調節的電動機無一不在消耗著少量的功率。汽車電子產品必須具備高效率,并在汽車引擎被關閉時消耗很低的功率。對于圖1中的電路而言,當照明燈關閉時,12V停機電流 <50μA。
由于擁有了改變汽車前照燈亮度的能力,因此為諸多新功能的問世開辟了道路。LED串的亮度可以簡單地通過降低流經LED的電流來減弱。通過減小恒定電流(模擬調光)或在滿電流條件下以脈動的方式使LED電流斷續地導通和關斷(PWM調光),便能完成上述任務。
PWM調光顯然要比模擬調光復雜,但它具有一個重要的優點,即:PWM調光保持了相同的LED彩色(這與亮度無關),而當采用模擬調光時,LED的發光顏色會發生變化。這是因為所有LED的彩色都會隨著工作電流的變化而改變。
在PWM調光中,亮度是通過以某種恒定頻率來接通和關斷LED進行控制的。重要的是應采用一個足夠高的頻率(≥100Hz),這樣人眼就不會察覺到閃爍。由于周期的“接通”部分始終具有相同的電流,因此LED的彩色不受影響。調光是通過改變占空比來實現的。雖然在任何給定的時刻流過LED的實際電流是“零”或“完全導通”,但調整占空比將有效地改變流過LED的平均電流。
圖3. LT3755 LED驅動器電路的PWM調光波形顯示:ILED在100Hz的高調光比條件下保持了恒定的彩色(a)50:1調光比(b)100:1調光比(c)250:1調光比。
LT3755汽車前照燈電路的亮度可以運用模擬調光方法進行相當準確的調光(通過CTRL引腳電壓調節至其滿電流水平的1/50)。利用一個至PWM引腳的微控制器輸入,LT3755還能夠提供高得多而且非常準確的調光比。圖3(a、b、c)中的PWM調光波形示出了對于高達0.4%亮度的50:1、100:1和250:1 PWM調光比(當采用一個100Hz PWM調光頻率時)。
圖4. LED電流與電池電壓的關系——CTRL模擬調光使LED電流折返(VIN < 10V,而且具遲滯的欠壓閉鎖低于8V輸入)。
PWM調光的頻率應為100Hz或更高,這樣普通人眼在低照度條件下(此時照明燈將很有可能處于工作狀態)就不會察覺到它。人類的周圍視覺和低照度視覺通常能夠察覺到高達80Hz的頻率(有些人甚至能覺察到更高的頻率)。雖然可以增加PWM調光頻率,但較大PWM調光比將成比例地減小。較高的DC/DC轉換器開關頻率也可提供較高的PWM調光比,但這里選擇的是400kHz,旨在把開關電源的主要EMI分量排除在AM頻段以外。
圖1所示DC/DC轉換器前端上的濾波器用于限制傳導EMI。借助少量簡單的L和C元件,可減少返回電池和其他電子電路的傳導頻譜。把開關頻率設定為400kHz將使EMI的主要分量處于AM頻段(從500kHz至2MHz)以外。
圖5. LT3755 50W LED驅動器的傳導EMI符合CISP
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