汽车前向照明应用需要高性能 LED 驱动器

作者：凌力尔特公司电源产品部高级产品市场工程师Jeff Gruetter

背景

2012 年，高亮度 (HB) LED 的市场规模预计将达到 120 亿美元，到 2015 年，该市场将增长至 202 亿美元，年复合增长率达到 30.6% (数据来源：Strategies Unlimited公司)。促使 LED 这种显著增长的关键应用领域之一是 LED 在汽车设计中的使用。LED 在汽车中的应用范围包括前灯、白天行车灯、刹车灯和转向信号灯，仪表板显示及背光照明，还有所有种类的车内照明灯。由于客户都有风格偏好和安全需求，几乎所有新车型都提供 LED 白天行车灯 (DRL)。本田雅阁的大多数 2013 车型都采用了 LED 白天行车灯，并在旅行车型和混合动力车型中提供了 LED 前灯 (参见图 1)。为了保持这种令人惊叹的增长率，LED 不仅必须提供更强的可靠性、更低的功耗和更紧凑的外形尺寸，而且还必须实现可转向前灯、防眩调光等创新设计。此外，在汽车环境中，LED 所有这些改进都必须优化，同时还要承受条件相对苛刻的汽车电气和物理环境。不言而喻，这些解决方案还必须提供非常扁平、紧凑的占板面积，同时提高总体性价比。

尽管几年来，LED 已经用在白天行车灯、刹车灯、转向信号灯和内部照明中，但是特定于前灯的应用还相对较新。目前，仅有少数量产车提供了 LED 前灯，其中包括本田雅阁、奥迪A8 和 R8、雷克萨斯 LS600h 和 RX450h、丰田普瑞斯、凯迪拉克凯雷德以及保时捷卡宴。有些业界估计数据表明，2012 年 LED 前灯市场大约为 10 亿美元，预计到 2014 年，该市场将超过 20 亿美元，并继续以指数级增长。

汽车照明系统设计师最大的挑战之一是：怎样优化最新一代高亮度 LED 的所有优势。高亮度 LED 需要一个准确、高效率的 DC 电流源，要有调光方法，而且必须提供各种保护功能。此外，这些 LED 的驱动器 IC 必须设计为能在多种多样的条件下满足上述要求。因此，电源解决方案必须效率非常高、提供坚固的功能和可靠性，同时又是非常紧凑和经济实惠的。可以说，就驱动高亮度 LED 而言，要求最苛刻的应用就是汽车前灯照明应用，包括白天行车灯和前灯，因为这类应用所处的是严酷的汽车电气环境，必须提供大功率，一般在 15W 至 75W 之间，还必须放入空间非常有限的外壳中，在达到所有这一切要求的同时，还要保持富有吸引力的成本结构。


图 1：2013 本田雅阁旅行/混合动力车型的 LED 白天行车灯和前灯

LED 白天行车灯和前灯

尺寸小、寿命极长、低功耗、更强的调光能力等优势，是高亮度 LED 白天行车灯和前灯得到广泛采用的催化剂。几家汽车制造商 (例如奥迪和梅塞德斯奔驰、以及雷克萨斯和丰田) 都用 LED 设计了非常独特的白天行车灯，让这些白天行车灯成为前灯的“眉毛”或“底线”，以此彰显品牌的独有魅力。这些应用不仅从设计角度来看非常独特，而且在提供可靠、具成本效益的解决方案时也有一些设计挑战。随着高亮度 LED 逐步用在近光和远光前灯中，这些挑战也变得愈加显著了。

大家熟知的是，前灯的主要功能是在夜间或者在不太理想的天气情况下 (例如雨天、雪天和雾天) 提供前向照明。需要更高的照明度一直是前灯发展的主要驱动力。在上世纪 80 年代，卤素灯成为业界标准，凭借 50W 的电功率，这类灯能提供大约 1500 流明的光，这比其之前的钨丝灯发光量提高了 50%。这样的发光量转换成功效 (即大家熟知的每瓦光输出) 或每瓦提供的光，就是每瓦 30 流明 (30lm/W)。在上世纪 90 年代，高强度放电 (HID) 氙灯成为主流，因为这类灯能提供 80lm/W，从而使制造商能提供更大的总体光输出。不过，氙灯也有缺点，例如：需要准确地调节，以避免使对面的车辆看不清道路；工作寿命相对短，仅为 2000 小时；使用有毒的水银气体和制造费用昂贵。随着高亮度 LED 灯的功效持续提高，这类灯已经变得更加理想地适用于前灯应用了。5 年前，量产高亮度 LED 灯提供 50lm/W 的功效，这还不足以用于前灯应用，不过，目前的 LED 设计可提供 100lm/W 光输出，而且估计在接下来的几年内，光输出将超过 150lm/W，这甚至超过了最好的高强度放电灯。LED 能提供大致相同的每瓦光输出量，而且还有其他一些优点，包括长寿命、坚固性和环保设计，因此用 LED 构成新一代前灯变得尤其有吸引力了。

用 LED 构成汽车前灯和白天行车灯有很多优势，产生了几种积极影响。首先，LED 灯从不需要更换，因为它们的可靠寿命长达 10 万小时以上 (使用年限为 11.5 年)，超过了车辆的寿命。这就允许汽车制造商将 LED 灯永久性地嵌入到车身中，而无需为进行更换留出操作余地。LED 灯还有助于极大地改变车辆款式，因为 LED 照明系统不需要高强度放电灯或卤素灯所需的深度或面积。从输入电功率提供光输出 (以流明为单位) 时，高亮度 LED 灯还比卤素灯的效率高 (而且不久就将超过高强度放电灯)。这有两种积极影响。首先，可以耗费更少的汽车总线电功率，这在电动型汽车和混合动力型汽车中尤其重要，同样重要的是，效率高还可以减少需要在外壳中散出的热量，从而无需任何笨重、昂贵的散热器。最后，通过在前灯阵列中使用高亮度 LED 阵列，并以电子方式进行转向以及调光，可以很容易地设计 LED 阵列，并为很多不同的驱动情况而优化照明。