功能豐富的 LED 驅動器 IC 可用來實現大功率汽車 LED 前燈

到 2015 年，高亮度 (HB) LED 的市場規模預計將達到 202 億美元 (數據來源：Strategies Unlimited)。驅動這種增長的關鍵應用領域之一是汽車設計中使用的 LED。應用包括前燈、白天行車燈和剎車燈、儀表顯示板背光照明、各種車內梳妝照明 … 等等。這種令人驚嘆的增長速度不僅是因為 LED 具備高可靠性、低功耗以及更緊湊的外形尺寸，而且也因為 LED 能夠用來實現創新設計，例如可轉向前燈和防眩調光。此外，在汽車環境中，所有這些改進都必須優化，同時還要承受相對嚴苛的汽車電氣及物理環境的考驗。不用說，這些解決方案還必須非常扁平、占板面積非常緊湊，同時能夠提高總體性價比。

盡管 LED用于白天行車燈、剎車燈、轉向指示燈和內部照明已經有幾年了，但是少數特定于前燈的應用只是不久前才出現，例如奧迪 A8 和 R8 以及雷克薩斯 LS600h。不過，在過去一年，幾家汽車制造商已經在其最流行的車型中引入了 LED 前燈。2014 年，豐田為其最暢銷的豐田卡羅拉引入了 LED 前燈，如圖 1 所示。此外，豐田的其他幾款車型也采用了 LED 前燈，本田、日產、保時捷和奧迪也在大多數即將上市的車型中引入了 LED 前燈。很多人估計，2014 年 LED 前燈市場規模將超過 30 億美元。

圖 1：2014 豐田卡羅拉 LED 前燈

汽車照明系統設計師面臨的最大挑戰之一是，怎樣充分發揮最新一代 HB LED 的所有優勢。HB LED 一般需要一個準確和高效率的 DC 電流源和一種調光方法。LED 驅動器 IC 必須設計為，能夠在多種條件下滿足這些要求。因此，電源轉換解決方案必須效率非常高、功能非常可靠，同時必須非常緊湊和具有很高的性價比。可以說，就驅動 HB LED 而言，要求最嚴苛的應用之一就是汽車前燈應用，因為這類應用須承受嚴苛的汽車電氣環境的考驗，必須提供很大的功率 (一般情況下為 50W 至 75W)，必須能夠放進熱量和空間都受限的外罩中，與此同時還必須保持富有吸引力的成本結構。

汽車 LED 前燈

尺寸小、壽命極長、低功耗、強大的調光能力等優勢是 HB LED 前燈得到廣泛采用的催化劑。幾年前，奧迪、戴姆勒、雷克薩斯等大多數汽車制造商都開始采用 LED 以設計非常與眾不同的行車燈或前燈的“眉毛”，以此彰顯其品牌的與眾不同。在謳歌的寶石眼設計、保時捷的 4 象限設計以及無數新出現的設計中，LED 前燈設計都體現了類似的趨勢。

將 LED 用于汽車前燈有幾種積極影響。首先，這種前燈從不需要更換，因為其固態器件壽命超過 10 萬小時 (11.5 年使用年限)，這超過了車輛的使用壽命。因此汽車制造商可以永久性地將 LED 嵌入到前燈設計中，而無需考慮更換問題。這使前燈的款式能夠有很大的變化，因為 LED 照明系統不需要 HID 或鹵素燈那樣的深度或面積。在靠輸入電功率提供光輸出 (以流明為單位) 時，HB LED 的效率也比鹵素燈高 (而且不久就將高于 HID)。這有兩個方面的積極影響。首先，LED 照明系統從汽車總線消耗的電功率較低，這在電動型汽車和混合動力汽車中尤其重要，而同等重要的是，LED 照明系統減少了需要從外殼散出的熱量，從而無需任何笨重、昂貴的散熱裝置。最后，使用 HB LED 陣列，并以電子方式改變其方向、對其調光，這樣的 LED 照明系統設計允許在很多不同的行駛條件下優化照明。

設計參數

為了確保最佳性能和較長的工作壽命，LED 需要一種有效的驅動電路。這類驅動器 IC 必須提供準確的 DC 電流源，而且無論輸入電源的變化范圍有多寬，都要提供嚴格控制的 LED 電壓調節。汽車電池總線中見到的極端電壓范圍為冷車發動 / 停-啟情況下的 4.7V 至負載突降情況下的 60V。但是更常見的是，電池總線電壓在通常情況下工作在 9V 至 16V 電壓范圍。由于很多這類新型 LED 前燈應用使用 4 至 8 個串聯 HB LED，因此總的電壓降為 12V 至 25V，而電池總線電壓范圍可能達到 4.7V 至 60V，所以需要降壓-升壓型拓撲給 LED 供電，因為輸入電壓可能高于、低于或等于所需 LED 串電壓。其次，LED 驅動器必須提供一種調光方法，并提供多種保護功能，以防遭遇 LED 開路或短路問題。除了可在電氣環境十分嚴苛的汽車電源總線可靠工作，LED 驅動器還必須具備高性價比和占用空間小的特點。

一種新型同步降壓-升壓型 HB LED 驅動器

幸運的是，已經有一種新的解決方案應對上述困境，那就是凌力爾特公司的 LT3791 LED 驅動器。LT3791 是一款同步降壓-升壓型 DC/DC LED 驅動器和電壓控制器，可提供超過 100W 的 LED 功率。其 4.7V 至 60V 輸入電壓范圍使該器件非常適合多種應用，包括汽車、卡車甚至航空電子設備的 HB LED 前燈。類似地，其輸出電壓可以在 0V 至 60V 范圍內設定，從而使其能夠驅動多種單串 LED。

圖 2 所示為一個典型 50W 前燈應用。該應用運用單個電感器準確地調節 25V/2A LED 串，提供 50W LED 功率。這個電路提供 50:1 PWM 調光比，這很好地滿足了防眩自動調光要求。輸入和輸出 (LED) 電流受到監視，同時提供故障保護，以承受并報告開路或短路 LED 情況。

圖 2：具 50:1 調光比、效率達 98% 的 50W (25V、2A) 降壓-升壓型 LED 驅動器

其內部 4 開關降壓-升壓型控制器用高于、低于或等于輸出電壓的輸入電壓工作，從而非常適合汽車應用。降壓、直通和升壓工作模式之間的轉換是無縫的，盡管電源電壓變化范圍很寬，也能提供良好穩定的輸出。LT3791 的獨特設計采用了 3 個控制環路，監視輸入電流、LED 電流和輸出電壓，提供最佳性能和可靠性。

LT3791 采用 4 個外部開關 MOSFET，能夠以高達 98% 的效率連續提供從 5W 直至超過 100W 的 LED 功率，參見圖 3。在以常規方法供電的車輛中，高效率是很重要，因為可最大限度降低對散熱措施的需求，實現占板面積非常緊湊的扁平解決方案。而在電動型汽車中，這種功率節省還延長了兩次充電之間車輛可行駛的里程。

±6% 的 LED 電流準確度確保一個 LED 串中的每個 LED 都有恒定亮度，同時 ±2% 的輸出電壓準確度可用來提供幾種 LED 保護功能，而且還使轉換器能夠作為恒定電壓源工作。LT3791 可按照應用要求，運用模擬或 PWM 調光。此外，其開關頻率可在 200kHz 至 700kHz 范圍內設定，或同步至一個外部時鐘。其他功能包括輸出斷接、輸入和輸出電流監視器、以及集成的故障保護。

圖 3：圖 2 中的 LED 效率

結論

人們對 LED 提供的高性能和高性價比有永不滿足的需求，這種需求促使多種新車型迅速采用 LED 前燈。新型 HB LED 驅動器 IC滿足了這種需求。這類新型 LED 驅動器必須提供恒定電流，無論輸入電壓或 LED 正向電壓如何變化都保持一致的亮度，同時以高效率工作，提供范圍非常寬的調光比，以及提供各種保護功能，以提高系統可靠性。當然，這類 LED 驅動器電路還必須提供占板面積非常緊湊、扁平和高熱效率解決方案。凌力爾特公司不斷重新定義其 LED 驅動器系列，以用 LT3791 等 HB LED 驅動器 IC 應對這些挑戰。此外，凌力爾特已經開發了一個全面的大電流 LED 驅動器 IC 系列， 該系列專門針對汽車應用，包括前燈正向照明、LCD 背光照明等。在汽車照明系統不斷需要更高性能的 LED 驅動器之情況下，設計師有了滿足這種需要的創新性 IC 解決方案。