背景

2012 年，高亮度(HB) LED 的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到120 億美元,，到2015 年,，該市場(chǎng)將增長(zhǎng)至202 億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到30.6% (數(shù)據(jù)來(lái)源：Strategies Unlimited公司),。促使LED 這種顯著增長(zhǎng)的關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域之一是LED 在汽車設(shè)計(jì)中的使用,。LED 在汽車中的應(yīng)用范圍包括前燈、白天行車燈,、剎車燈和轉(zhuǎn)向信號(hào)燈,，儀表板顯示及背光照明，還有所有種類的車內(nèi)照明燈,。由于客戶都有風(fēng)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(shù)2013 車型都采用了LED 白天行車燈,，并在旅行車型和混合動(dòng)力車型中提供了LED 前燈(參見(jiàn)圖1),。為了保持這種令人驚嘆的增長(zhǎng)率,，LED 不僅必須提供更強(qiáng)的可靠性、更低的功耗和更緊湊的外形尺寸,，而且還必須實(shí)現(xiàn)可轉(zhuǎn)向前燈,、防眩調(diào)光等創(chuàng)新設(shè)計(jì)。此外,，在汽車環(huán)境中,，LED 所有這些改進(jìn)都必須優(yōu)化,，同時(shí)還要承受條件相對(duì)苛刻的汽車電氣和物理環(huán)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(shí)提高總體性價(jià)比,。

盡管幾年來(lái),，LED 已經(jīng)用在白天行車燈、剎車燈,、轉(zhuǎn)向信號(hào)燈和內(nèi)部照明中,，但是特定于前燈的應(yīng)用還相對(duì)較新。目前,，僅有少數(shù)量產(chǎn)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(shí)捷卡宴,。有些業(yè)界估計(jì)數(shù)據(jù)表明,，2012 年LED 前燈市場(chǎng)大約為10 億美元，預(yù)計(jì)到2014 年,，該市場(chǎng)將超過(guò)20 億美元,，并繼續(xù)以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

汽車照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師最大的挑戰(zhàn)之一是：怎樣優(yōu)化最新一代高亮度LED 的所有優(yōu)勢(shì),。高亮度LED 需要一個(gè)準(zhǔn)確,、高效率的DC 電流源，要有調(diào)光方法,，而且必須提供各種保護(hù)功能,。此外，這些LED 的驅(qū)動(dòng)器IC 必須設(shè)計(jì)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(jiān)固的功能和可靠性,，同時(shí)又是非常緊湊和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的,。可以說(shuō),，就驅(qū)動(dòng)高亮度LED 而言,，要求最苛刻的應(yīng)用就是汽車前燈照明應(yīng)用，包括白天行車燈和前燈，因?yàn)檫@類應(yīng)用所處的是嚴(yán)酷的汽車電氣環(huán)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(dá)到所有這一切要求的同時(shí),，還要保持富有吸引力的成本結(jié)構(gòu)。

圖1：2013 本田雅閣旅行/混合動(dòng)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(zhǎng),、低功耗、更強(qiáng)的調(diào)光能力等優(yōu)勢(shì),，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(shè)計(jì)了非常獨(dú)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(dú)有魅力。這些應(yīng)用不僅從設(shè)計(jì)角度來(lái)看非常獨(dú)特,，而且在提供可靠,、具成本效益的解決方案時(shí)也有一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。隨著高亮度LED 逐步用在近光和遠(yuǎn)光前燈中,，這些挑戰(zhàn)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(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。在上世紀(jì)80 年代,，鹵素?zé)舫蔀闃I(yè)界標(biāo)準(zhǔn),，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(fā)光量提高了50%,。這樣的發(fā)光量轉(zhuǎn)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(jì)90 年代,，高強(qiáng)度放電(HID) 氙燈成為主流，因?yàn)檫@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(guò)，氙燈也有缺點(diǎn),，例如：需要準(zhǔn)確地調(diào)節(jié),，以避免使對(duì)面的車輛看不清道路,；工作壽命相對(duì)短，僅為2000 小時(shí),；使用有毒的水銀氣體和制造費(fèi)用昂貴。隨著高亮度LED 燈的功效持續(xù)提高,，這類燈已經(jīng)變得更加理想地適用于前燈應(yīng)用了,。5 年前，量產(chǎn)高亮度LED 燈提供50lm/W 的功效,，這還不足以用于前燈應(yīng)用,，不過(guò)，目前的LED 設(shè)計(jì)可提供100lm/W 光輸出,，而且估計(jì)在接下來(lái)的幾年內(nèi),，光輸出將超過(guò)150lm/W，這甚至超過(guò)了最好的高強(qiáng)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(yōu)點(diǎn)，包括長(zhǎng)壽命,、堅(jiān)固性和環(huán)保設(shè)計(jì),，因此用LED 構(gòu)成新一代前燈變得尤其有吸引力了。

用LED 構(gòu)成汽車前燈和白天行車燈有很多優(yōu)勢(shì),，產(chǎn)生了幾種積極影響,。首先，LED 燈從不需要更換,，因?yàn)樗鼈兊目煽繅勖L(zhǎng)達(dá)10 萬(wàn)小時(shí)以上(使用年限為11.5 年),，超過(guò)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(wú)需為進(jìn)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?yàn)長(zhǎng)ED 照明系統(tǒng)不需要高強(qiáng)度放電燈或鹵素?zé)羲璧纳疃然蛎娣e,。從輸入電功率提供光輸出(以流明為單位) 時(shí),，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)。這有兩種積極影響,。首先,，可以耗費(fèi)更少的汽車總線電功率，這在電動(dòng)型汽車和混合動(dòng)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(wú)需任何笨重,、昂貴的散熱器,。最后，通過(guò)在前燈陣列中使用高亮度LED 陣列，并以電子方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向以及調(diào)光,，可以很容易地設(shè)計(jì)LED 陣列,，并為很多不同的驅(qū)動(dòng)情況而優(yōu)化照明。

設(shè)計(jì)參數(shù)

為了確保最佳性能和長(zhǎng)工作壽命,，LED 需要一種有效的驅(qū)動(dòng)電路,。這意味著，無(wú)論輸入電壓源怎樣變化,，驅(qū)動(dòng)器IC 都必須高效率地提供準(zhǔn)確的DC 電流并提供準(zhǔn)確的LED 電壓調(diào)節(jié),。其次，驅(qū)動(dòng)器IC 必須提供一種調(diào)光方法,，還要提供多種保護(hù)功能,，以防遭遇LED 開(kāi)路或短路故障。除了依靠電氣環(huán)境十分惡劣的汽車電源總線可靠地工作,，驅(qū)動(dòng)器IC 還必須經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,，節(jié)省空間。

停/啟,、冷車發(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)盡量減少二氧化碳排放量，各種可選擇的驅(qū)動(dòng)技術(shù)一直在不斷發(fā)展,。不論這些新技術(shù)采用的是電動(dòng)混合,、清潔柴油還是更傳統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，它們都有可能還需要采用停-啟馬達(dá)設(shè)計(jì),。在世界各地的所有混合動(dòng)力型汽車設(shè)計(jì)中,，停-啟馬達(dá)已經(jīng)普遍存在了，很多歐洲和亞洲的汽車制造商也已經(jīng)在傳統(tǒng)的汽油和柴油汽車中采用了這類停-啟設(shè)計(jì),。福特汽車公司不久前在美國(guó)宣布,，將在即將推出面向美國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的車型中采用停-啟系統(tǒng)。

就發(fā)動(dòng)機(jī)而言,，停-啟系統(tǒng)的概念簡(jiǎn)單易懂,，當(dāng)車輛停止時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉,，然后當(dāng)要求車輛再次移動(dòng)時(shí),，發(fā)動(dòng)機(jī)立即重新啟動(dòng)。在車輛停在車流中或停在紅燈處時(shí),，這可以節(jié)省燃油,，減少尾氣排放。這種停-啟設(shè)計(jì)可以將燃油消耗和尾氣排放分別減少5% 至10%,。然而,，這種設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)是,，不讓駕駛員感覺(jué)到整個(gè)停-啟過(guò)程。要想讓駕駛員感覺(jué)不到停-啟動(dòng)作,，會(huì)遇到兩個(gè)主要的設(shè)計(jì)障礙,。第一個(gè)是快速重啟。有些制造商利用增強(qiáng)的啟動(dòng)器設(shè)計(jì),，已經(jīng)將重啟時(shí)間縮短至不到0.5s,，從而使重啟過(guò)程真正不被感覺(jué)到。第二個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是,，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)，保持車中所有電子系統(tǒng)正常運(yùn)行,，包括由電池直接供電的空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng),；同時(shí)保持足夠的電力儲(chǔ)備，以在要加速時(shí)快速重啟發(fā)動(dòng)機(jī),。

為了納入停-啟功能,，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行一些修改。也就是說(shuō),，原來(lái)的交流發(fā)電機(jī)可能還要兼作增強(qiáng)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器,，以確保快速重啟,。此外,，必須增加一個(gè)停-啟電子控制單元(ECU)，以控制發(fā)動(dòng)機(jī)何時(shí)以及怎樣啟動(dòng)和停止,。在發(fā)動(dòng)機(jī)/交流發(fā)電機(jī)關(guān)閉時(shí),，電池必須能給車燈、環(huán)境控制以及其他電子系統(tǒng)供電,。另外,，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)需要再次啟動(dòng)時(shí)，電池必須能給啟動(dòng)器供電,。這種極端的電池加載要求又引入了另一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),，這是一個(gè)電氣方面的挑戰(zhàn)，因?yàn)橹貑l(fā)動(dòng)機(jī)需要吸取很大的電流,，這可能暫時(shí)將電池電壓拉低至6V,。對(duì)于LED 驅(qū)動(dòng)器的挑戰(zhàn)是，當(dāng)電池總線電壓短暫降至6V,、然后在充電器回到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)返回13.8V 標(biāo)稱值時(shí),，連續(xù)提供良好穩(wěn)定的輸出電壓和LED 電流。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)處于寒冷或冰凍溫度中一段時(shí)間以后,，會(huì)發(fā)生冷車發(fā)動(dòng)情況,。發(fā)動(dòng)機(jī)油變得極度粘稠,，需要發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)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(fù)載電流可能在一點(diǎn)火時(shí),，將電池/主總線電壓拉至低于6V，之后,，該電壓一般會(huì)返回到13.8V 的標(biāo)稱值,。

當(dāng)電池電纜意外斷接而交流發(fā)電機(jī)仍然在給電池充電時(shí)，就會(huì)發(fā)生負(fù)載突降,。當(dāng)電池電纜連接松動(dòng)而汽車正在運(yùn)行,，或者當(dāng)電池電纜斷開(kāi)而汽車正在運(yùn)轉(zhuǎn)，都會(huì)發(fā)生這種負(fù)載突降情況,。這種電池電纜的突然斷接可能導(dǎo)致高達(dá)60V 的瞬態(tài)電壓尖峰,，因?yàn)榻涣靼l(fā)電機(jī)試圖全力給一個(gè)已經(jīng)不在的電池充電。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,，并吸收大部分浪涌,；不過(guò)，交流發(fā)電機(jī)下游的DC/DC 轉(zhuǎn)換器和LED 驅(qū)動(dòng)器會(huì)遭遇高達(dá)36V 的瞬態(tài)電壓尖峰,。人們不僅期望這些LED 驅(qū)動(dòng)器能承受這樣的電壓尖峰,，而且在發(fā)生這些瞬態(tài)事件時(shí)，這些LED 驅(qū)動(dòng)器還必須連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓和LED 電流,。

短路保護(hù)

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(gè)LED。由于標(biāo)稱輸入電壓為13.8V,，在某些瞬態(tài)情況下甚至更低,，所以一般首選升壓型LED 驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)，因?yàn)檫@種架構(gòu)比SEPIC 或降壓-升壓型設(shè)計(jì)效率更高,、更簡(jiǎn)單和具成本效率,。不過(guò)，直到不久前,，升壓型架構(gòu)一直難以抵御短路的影響,。在汽車應(yīng)用中這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)長(zhǎng)ED 在前端碰撞中容易被損壞,，而且任何電弧都可能點(diǎn)燃濺出的汽油,。由于這個(gè)原因，過(guò)去大多數(shù)前端照明LED 應(yīng)用都采用更昂貴和更復(fù)雜的SEPIC 解決放案,，這種解決方案具備固有的短路保護(hù)能力,。然而，隨著新的和具備非常堅(jiān)固保護(hù)能力的升壓型LED 驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn),，未來(lái)的應(yīng)用將會(huì)采用這種設(shè)計(jì),，以提供效率更高和具成本效益的解決方案,。

EMI 問(wèn)題

降低LED 驅(qū)動(dòng)器的任何電磁干擾(EMI) 都有利于電源總線的總體設(shè)計(jì)。因?yàn)長(zhǎng)ED 驅(qū)動(dòng)器通常是基于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的,，所以降低開(kāi)關(guān)噪聲是人們所希望的,。這可以通過(guò)采用擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。正如在圖2 中可以看到的那樣,，這種調(diào)制方法通過(guò)在較寬的頻率范圍內(nèi)擴(kuò)展頻譜,，將輸出開(kāi)關(guān)噪聲降低了20dB，從而極大地減輕了EMI 問(wèn)題,。

圖2：LT3795 輸出噪聲頻譜比較

 (RAMP 引腳接地= 常規(guī)切換,，RAMP 引腳端  47nF = 擴(kuò)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(qū)動(dòng)器控制器

幸運(yùn)的是，對(duì)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(qū)動(dòng)器,。LT3795 是一款升壓型DC/DC LED 驅(qū)動(dòng)器，可提供超過(guò)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(tǒng)中的多種高亮度LED 應(yīng)用,。其高壓側(cè)電流檢測(cè)設(shè)計(jì)可配置為升壓模式、降壓-升壓模式,、SEPIC 和降壓模式架構(gòu),，從而可提供多種設(shè)計(jì)靈活性。此外,，其輸出電壓可以在0V 至110V 的范圍內(nèi)設(shè)定,，從而能驅(qū)動(dòng)多種單串LED，同時(shí)在升壓型設(shè)計(jì)中,，能提供非常堅(jiān)固和簡(jiǎn)單的短路保護(hù),。

一種典型的50W 前燈應(yīng)用如圖3 所示。這個(gè)應(yīng)用采用了升壓型架構(gòu),，以提供高達(dá)87V 的LED 電壓,，該電壓能以超過(guò)600mA 的LED 電流驅(qū)動(dòng)多達(dá)20 個(gè)LED。大多數(shù)白天行車燈都采用8 到15 個(gè)LED,，電流在350mA 范圍內(nèi),，而近光前燈會(huì)采用約為50V 的1A LED，遠(yuǎn)光前燈則可能采用高達(dá)2A和50V,。LT3795 可用于所有這些應(yīng)用,。

圖3：具備輸入電流限制和擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制、效率為93%,、功率為50W (87V,、575mA) 的降壓型LED 驅(qū)動(dòng)器

LT3795 采用高壓側(cè)電流檢測(cè)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?fù)?。此外，LT3795 提供輸入和輸出電流限制及監(jiān)視,，以增強(qiáng)可靠性和設(shè)計(jì)靈活性,。LT3795 在升壓模式還可以提供超過(guò)94% 的效率，從而最大限度地減小了對(duì)外部散熱器的需求,。頻率調(diào)節(jié)引腳使用戶能在100kHz 至1MHz 范圍內(nèi)設(shè)定頻率,，從而可優(yōu)化效率，同時(shí)最大限度地減小外部組件的尺寸和成本,。還可以啟動(dòng)擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制,，以通過(guò)將開(kāi)關(guān)頻率降低20dB來(lái)改善電磁兼容性。

LT3795 集成了短路保護(hù)功能,，當(dāng)檢測(cè)到短路時(shí),，該功能使穩(wěn)壓器停止切換，并斷開(kāi)LED 陣列與電源通路的連接,。此外,，該器件還通過(guò)SHORTLED 引腳報(bào)告短路情況。在短路保護(hù)啟動(dòng)以后,，可以設(shè)定LT3795 以運(yùn)用“打嗝”(Hiccup) 模式,，看短路是否已得到糾正，或運(yùn)用鎖斷模式,，該模式要求切換EN/ULVO以重新啟動(dòng)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(yīng)用提供了非常堅(jiān)固的短路保護(hù),。此外,，LT3795 還提供LED 開(kāi)路保護(hù)并報(bào)告開(kāi)路情況，這樣如果一串LED 中的某個(gè)LED 開(kāi)路了,，這些LED 就不會(huì)被損壞,。

LT3795 提供±3%的LED 電流準(zhǔn)確度，這可確保用在一個(gè)LED 串提供恒定照明,，同時(shí)該器件±2%的輸出電壓準(zhǔn)確度允許提供幾種LED 保護(hù)功能,，還使轉(zhuǎn)換器能作為衡定電壓源工作。LT3795 可運(yùn)用PWM 調(diào)光提供高達(dá)3000:1 的調(diào)光比,，或提供調(diào)光比高達(dá)20:1 的模擬調(diào)光,。其他功能包括輸出斷接、輸入和輸出電流限制/監(jiān)視器以及集成的故障保護(hù),。該器件的高集成度和耐熱增強(qiáng)型TSSOP-28 封裝可構(gòu)成非常緊湊的高亮度LED 驅(qū)動(dòng)器解決方案,。

圖4：采用LT3795 的圖3 所示電路之LED 效率

Efficiency vs V_IN：效率隨V_IN 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(hù)

Hiccup Mode：打嗝模式

Latchoff Mode：鎖斷模式

/DIV：每格

結(jié)論

對(duì)更高性能和更高性價(jià)比永無(wú)止境的需求,，促進(jìn)了高亮度LED 應(yīng)用的持續(xù)加速增加，尤其是在汽車白天行車燈和前燈中的LED 應(yīng)用,。這種需求必須要有新的高亮度LED 驅(qū)動(dòng)器IC 才能滿足,。這些LED 驅(qū)動(dòng)器必須提供恒定電流，無(wú)論輸入電壓或LED 正向電壓怎樣變化,，都能保持一致的亮度,，同時(shí)這些LED 驅(qū)動(dòng)器還必須以高效率工作、提供非常寬的調(diào)光范圍,、以及各種保護(hù)功能(例如: 短路和開(kāi)路保護(hù)) 以提高系統(tǒng)可靠性,。當(dāng)然，這種LED 驅(qū)動(dòng)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(yùn)的是，凌力爾特公司不斷地重新定義LED 驅(qū)動(dòng)器系列,，以憑借LT3795 等高亮度LED 驅(qū)動(dòng)器IC 應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),。此外，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)完整的大電流LED 驅(qū)動(dòng)器IC 系列,，該系列專門針對(duì)汽車應(yīng)用,，從先進(jìn)的前向照明前燈到LCD 背光照明，可用于多種應(yīng)用,。在汽車照明系統(tǒng)不斷要求性能更高的LED 驅(qū)動(dòng)器之際,，設(shè)計(jì)師有了創(chuàng)新的IC 解決方案以滿足他們的要求,。