汽車LED前燈不斷演變

作者：凌力爾特公司? 電源產品部產品市場總監(jiān) Tony Armstrong

　　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。我之所以這么說是因為，多數(shù)美國家庭過去通常使用的 40W 和 60W 白熾燈，從 2013 年末已經(jīng)禁止在美國生產或向美國進口了 (不過這種燈仍然可以買到)。還有一件事也應該提到，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，美國環(huán)境保護署 (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)，因為事實上，美國住宅照明約占美國電力消耗的 14% (數(shù)據(jù)來源： Energy Information Administration)。固態(tài) LED 照明燈僅需要約 1/8 的電力，就可產生同等流明的光輸出，因此 LED 燈已經(jīng)成功進入了我們今天的世界。

　　照明燈從白熾燈到固態(tài)電子燈的演變過程與目前發(fā)生在汽車行業(yè)中的車輛照明的轉變類似。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，汽車內部和前向照明系統(tǒng)的變化才導致 LED 燈的采用率出現(xiàn)了顯著提高。例如，超過 70% 的汽車內部指示燈和超過 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、遠光、霧燈) 代表著最大的商機，但也是滲透率最低的市場，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，汽車制造商無法以消費者愿意支付的價格提供 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備制造商都偏愛 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的原因包括但不限于以下各項：

　　·? 性能和設計靈活性 ― ?LED 外形尺寸小，因此提供了設計靈活性，LED 還提供范圍很大的調光能力。記住，人眼對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 ― ?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的生命周期。

　　·??成本 ― ?這個特點似乎與直覺相悖，但是在非前燈應用中，成本持續(xù)下降、耐用性和卓越的質量已經(jīng)使 LED 成為最終消費者價值的新標準。

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

　　奧迪被普遍認為是 LED 應用的領導者，我想，任何人對這一點都不會感到驚訝，因為奧迪在幾乎任何外部汽車照明應用中都使用了 LED。任何人在后視鏡中看到奧迪著名的“眼眉”白天行車燈，都會覺得非常引人注目。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 前燈為什么沒有像用于其他形式汽車照明的 LED 那樣流行起來呢? 答案當然是成本?？梢匀〈?LED 前燈的其他產品包括：白熾燈、鹵素燈或高密度放電 (HID) 氙氣燈。可比 LED 燈的價格可能比鹵素前燈 (1962 年首先在歐洲推出，但直到 1978 年才在美國得到采用) 高 100%，比 HID氙氣燈 (要實現(xiàn)與 HID 氙氣前燈可比的性能，需要一個比更低性能鹵素燈價格高得多的 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燈和 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)光時不產生熱量，但是通電時，在它們的發(fā)射器底部確實產生一定的熱量，因此對相鄰組件和連接電纜造成了潛在風險。由于這個原因，LED 前燈需要冷卻系統(tǒng) (例如散熱器或風扇) 以避免熔化。此外，這類冷卻系統(tǒng)位于發(fā)動機艙內，對于其他一些需要保持合適溫度的系統(tǒng)而言，發(fā)動機艙不是個太涼爽的區(qū)域。這是 LED 前燈更難以設計、更難以在汽車中采用的另一個原因，也因此比 HID 燈價格更高。

圖 1：這個例子顯示矩陣式 LED 前燈是怎樣發(fā)送光線的

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

　　最新 IC 有助于 LED 前燈的采用

　　白熾燈要產生光輸出，所需全部條件就是其燈絲中要有電流通過，與此不同，LED 需要專門的集成電路來驅動。

　　今天，LED 驅動器 IC 必須具有的一個關鍵性能特點是能夠充分調光。LED 是用恒定電流驅動的，其 DC 電流值與 LED 亮度成比例。要通過控制 LED 電流改變 LED 亮度，有兩種調光方法。第一種是模擬調光，通過降低恒定的 LED 電流值，成比例地降低 LED 的 DC 電流值。降低 LED 電流可能導致 LED 色彩改變，或者 LED 電流控制不準確。第二種方法是數(shù)字或脈沖寬度調制 (PWM) 調光。PWM 調光以等于或高于 100Hz 的頻率接通和斷開 LED，這樣的變化人眼察覺不到。PWM 調光占空比與 LED 亮度成比例，而接通時的 LED 電流值保持在由 LED 驅動器 IC 設定的值，從而在高調光比時保持了 LED 顏色的恒定。在某些應用中，這種 PWM 調光方法可實現(xiàn) 3000 : 1 的調光比。

　　凌力爾特的 LED 驅動器 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換拓撲、為很多不同類型的 LED 配置提供充足的電流和電壓，尤其是在驅動高亮度 LED 時。因此，凌力爾特的高亮度 LED 驅動器 IC 一般具備以下特性：

　　寬輸入電壓范圍

　　寬輸出電壓范圍

　　高效率轉換

　　嚴格調節(jié)的 LED 電流匹配

　　以低噪聲、恒定頻率工作

　　獨立的電流和調光控制

　　寬調光范圍比

　　小型和緊湊的占板面積，所需外部組件最少

　　為滿足驅動汽車前燈中常見 LED 所產生的特定設計需求，凌力爾特提供了種類繁多的產品。最近的一個例子是新推出的 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換器。其拓撲使該器件能夠驅動大電流 LED。參見圖 2。該器件具備一個內部低壓側 N 溝道功率 MOSFET，輸入額定值為 84V、3.3A，由一個內部調節(jié)的 7.15V 電源驅動。固定頻率、電流模式架構可在很寬的電源和輸出電壓范圍內實現(xiàn)穩(wěn)定運行。以地為基準的電壓 FB 引腳作為幾個 LED 保護功能的輸入，還使該轉換器可以作為一個恒定電壓源使用。頻率調節(jié)引腳使用戶能夠在 100kHz 至 1MHz 范圍內設定頻率，以優(yōu)化效率、性能或外部組件尺寸。

　　LT3956 在 LED 串的高壓側檢測輸出電流 (常稱為高壓側電流檢測)。這是最靈活的 LED 驅動方法，可實現(xiàn)升壓、降壓或降壓-升壓模式配置。

圖 2：驅動一個串連 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

　　結論

　　我相信，盡管 LED 前燈目前的市場滲透率低，但是顯然，性能提升太有吸引力了，汽車制造商對 LED 燈目前這種態(tài)度不可能持續(xù)太久。產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，請留心看一下矩陣式照明，因為當您看向后視鏡時會發(fā)現(xiàn)，矩陣式照明及 LED 前燈的使用將有大幅增加。