新型 LED 車前燈和 DRL 需要高性能的 LED 驅動器

背景

雖然 LED 被許多汽車照明應用所廣泛接納已經好多年了，包括日間行車燈、剎車燈、轉向燈和車內照明等，但專門針對車前燈應用的 LED 還是比較新。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，2013 年 LED 前燈市場大約為 15 億美元，預計到 2014 年，該市場將超過 30 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。

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。

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。

起 / 停、冷車發動和負載突降情況

雖然汽車系統電源總線在交流發電機給電池充電時采用 14V 的標稱電壓供電運作，但是汽車運轉中不同的狀況會導致該電壓短暫地下降到低至 6V (在冷車發動或車輛起 / 停期間)。在非常寒冷的天氣里，冷車發動狀態會從電池抽取很大的電流以彌補發動機潤滑油的高粘度，而這又會把電壓拉低至大約 6V。同樣，一輛采用起 / 停功能的汽車也會在引擎重新發動時將電池電壓拉到 6V 左右，而電池在車輛的發動機和交流發電機關閉時將承擔照明、空調和其他車載娛樂設備的繁重供電任務。當電池電纜意外斷接 / 重接 (即：出現松動) 而交流發電機仍然對電池進行充電時，就會發生負載突降情況，從而導致高達 60V 的瞬態電壓尖峰。

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。