本文旨在探讨LED照明系统中的这一重要元件,指出在开发LED外灯驱动电子架构时需要考虑的因素。文章将简要说明在汽车外部照明应用中使用 LED灯的原因(如使用寿命长、功耗低),同时讨论在这些应用中引入LED灯所面临的挑战,其中包括行业要求(AEC-Q100)和功能要求。
在此基础上,我们将深入研究这些应用要求对电子器件的影响,以便充分挖掘LED灯的巨大潜力。我们将提出一种通用型LED照明系统架构,同时列出电子控制装置所要求的特性。这些特性包括LED散热管理、灵活地驱动不同LED配置以及具有成本优势的系统设计等。文章后将提出一种完全集成、灵活的汽车LED驱动IC解决方案,不但能满足汽车外部照明应用的各种要求,同时还能克服现有电子器件设计存在的诸多不足。
发光二极管(LED)在汽车领域的应用已超过15年。过去,可提供的色彩和功率水平将LED的应用限制在仪表板、内部灯饰和一些低功耗的尾灯混合照明功能。但近年来,随着LED性能的不断提升,LED逐渐在一些前部车外照明应用中得到使用,如日间行驶灯和头灯。
LED灯在这些汽车前部照明应用中得到日益广泛的使用,其主要原因在于:相对于常规白炽灯或高亮度放电(HID)灯,LED灯在款式和设计方面具有独到的优势,近期则更是得益于低功耗这一特性。
但是,同样重要的是随着LED技术的不断发展,已经可以提供更高的功率水平和更宽的色域。目前,在汽车前部照明应用中,LED灯的性能已不亚于白炽灯。
为什么在汽车照明中采用LED?
对于汽车制造商来说,款式上的优势仍然是使用LED灯的主要原因之一。显然,汽车制造商看到了进一步巩固其汽车品牌的机会。已有多种照明设计从 LED灯提供的更大设计自由度中受益。较为著名的早期案例包括奥迪A8/A6。
不过,关注点正在向LED灯对汽车照明应用带来的其他优势上转移。其中包括更低的功耗、更长的使用寿命和更快的启动时间。
密歇根大学运输研究学院(UMTRI)在2008年发布了一份报告,评估了常规白炽灯和LED解决方案在白天行驶照明功能的能耗水平。他们发现,对于等效功能,LED解决方案的能耗水平要低50%(23W对46W)。这种节省可以直接转换成燃油效率,同时还能使客车的二氧化碳排放量减少50%。
对于准备开发全电动汽车的汽车制造商来说,这种燃油效率十分重要。而对于消费者来说,一个重要的购买标准是电动汽车在充满电的情况下能行驶的距离。为此,汽车制造商们正在寻找适当的方式,以改善各种功能的能耗水平,从而提高汽车的续航能力。LED灯显然具有极大的节能优势,因而日益成为照明设计工程师们的自然选择。
另一个对LED效率的提升以及LED在汽车照明应用领域的渗透做出了不可磨灭的贡献的重要因素是LED的照明效率,即每瓦特的流明(lm/W)。该指标衡量的是LED灯每消耗一瓦特能量所产生的光输出量。该值越高,LED将输入功率转换为光输出的效率就越高。如今的高亮度LED灯能实现 100-150lm/W的照明效率,而一只60W白炽灯仅为10-18lm/W。
这项指标的改进极大地扩大了LED灯的应用范围,并拓展到完全以LED灯为基础的汽车前部照明系统之中。尤其是完全以LED为基础的大灯,其中包括远光和近光调整等功能。下一节将介绍在汽车应用中使用LED灯所面临的部分挑战。
LED在汽车应用领域面临的挑战
汽车环境为LED带来了巨大的挑战,LED必须能提供稳定的光输出,即使大灯周围的电气条件和散热条件不断变化,灯光的通量和色点也必须保持恒定。
由于LED的光输出与应用于LED的电流成比例,同时,LED采用的是扩散式生产工艺,因此即使是同一批次的产品,也可能在驱动电流相同的情况下,其光输出存在差异。为了避免这种不利差异,往往根据某些参数(如正向电压、通量输出)来选择LED(也称"筛选")。通过筛选,可以确保同一批次的 LED在光输出和色点方面更加一致。
LED还必须保证在-40℃至+125℃的环境温度范围内,光输出达到具体应用的低法定光通量要求。头灯的光通量需要达到1,000流明左右,并能在工作温度范围内提供要求的低光输出。
为了达到这种光通量要求,可能要将数个LED串联或并联起来。将多个高亮度LED灯集合到一起同时对散热管理提出了很高的要求,因为随着LED温度的升高,LED的光输出会大幅下降,色点会发生偏移。因此,LED在产生这种量级的光的过程中散发的热量必须通过散热器传导出去。在一些极端情况下,可能需要降低LED的驱动电流,以避免LED过热和损毁。
汽车工业对LED的可靠性同样提出了严格的要求。LED解决方案必须能够达到AEC-Q100标准的严格要求。这就意味着,LED及驱动器电子器件必须通过该标准的认证。
此外,汽车制造商以及一级照明产品供应商提出了其他的功能要求,比如利用LED来提供双重功能,举例来说,日间行驶灯有时充当停车灯,尾灯有时用作停止灯。这就意味着,LED提供的光必须具有两个可以控制的输出水平。为了避免不同电流水平下的色点偏移,多数系统设计通过对LED电流进行一种脉冲宽度调制(PWM)处理,以减少LED的平均电流,同时还能使峰值电流维持恒定。这样在相同的色点下,可以实现较低的光输出水平。