【導讀】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。有數據顯示，到2014年LED前燈市場將超過30億美元，并將以指數級增長。本文介紹的LED驅動器設計方案特別針對LED車前燈照明應用，為設計師們提供新的選擇。
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 仍比較新。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。
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。
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
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。
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。
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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。
LED驅動器短路保護
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。
LED驅動器EMI 問題
降低LED 驅動器的任何電磁干擾(EMI) 都有利于電源總線的總體設計。因為LED 驅動器通常是基于開關穩壓器的，所以降低開關噪聲是人們所希望的。這可以通過采用擴展頻譜頻率調制來實現。正如在圖2 中可以看到的那樣，這種調制方法通過在較寬的頻率范圍內擴展頻譜，將輸出開關噪聲降低了20dB，從而極大地減輕了EMI 問題。
圖2 ：LT3795 輸出噪聲頻譜比較設計參數
一種新的汽車高亮度LED 驅動器控制器
凌力爾特公司的LT3795 LED 驅動器是一款升壓型DC/DC LED 驅動器，可提供超過100W 的LED 功率。該器件具備6V 至110V 的輸入電壓范圍，因此非常適用于汽車、商用卡車甚至航空系統中的多種高亮度LED 應用。其高壓側電流檢測設計可配置為升壓模式、降壓- 升壓模式、SEPIC 和降壓模式架構，從而可提供多種設計靈活性。此外，其輸出電壓可以在0V 至110V的范圍內設定，從而能驅動多種單串LED，同時在升壓型設計中，能提供非常堅固和簡單的短路保護。
一種典型的50W 前燈應用如圖3所示。這個應用采用了升壓型架構，以提供高達87V 的LED 電壓，該電壓能以超過600mA 的LED 電流驅動多達20 個LED。大多數白天行車燈都采用8 到15 個LED，電流在350mA范圍內，而近光前燈會采用約為50V的1A LED，遠光前燈則可能采用高達2A 和50V。LT3795 可用于所有這些應用。
圖3 ：具備輸入電流限制和擴展頻譜頻率調制、效率93%、功率50W 的降壓型LED 驅動器
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LT3795 集成了短路保護功能，當檢測到短路時，該功能使穩壓器停止切換，并斷開LED 陣列與電源通路的連接。此外，該器件還通過SHORTLED 引腳報告短路情況。在短路保護啟動以后，可以設定LT3795以運用“打嗝” (Hiccup) 模式，看短路是否已得到糾正，或運用鎖斷模式，該模式要求切換EN/ULVO 以重新啟動該器件。不管輸出電壓高低，這種功能都為升壓以及降壓- 升壓型應用
提供了非常堅固的短路保護。此外，LT3795 還提供 LED 開路保護并報告開路情況，這樣如果一串 LED 中的某個LED 開路了，這些LED 就不會被損壞。
圖4 ：采用 LT3795 的圖3 所示電路之LED 效率
圖5 ：圖3 所示電路在打嗝模式和鎖斷模式的短路保護
LT3795 提供 ±3% 的LED 電流準確度，這可確保用在一個LED 串提供恒定照明，同時該器件±2% 的輸出電壓準確度允許提供幾種LED 保護功能，還使轉換器能作為衡定電壓源工作。LT3795 可運用PWM 調光提供高達3000:1 的調光比，或提供調光比高達20:1 的模擬調光。其他功能包括輸出斷接、輸入和輸出電流限制 / 監視器以及集成的故障保護。該器件的高集成度和耐熱增強型TSSOP-28 封裝可構成非常緊湊的高亮度LED 驅動器解決方案。
結論
對更高性能和更高性價比永無止境的需求，促進了高亮度LED 應用的持續加速增加，尤其是在汽車白天行車燈和前燈中的LED 應用。這種需求必須要有新的高亮度LED 驅動器IC才能滿足。這些LED 驅動器必須提供恒定電流，無論輸入電壓或LED 正向電壓怎樣變化，都能保持一致的亮度，同時這些LED 驅動器還必須以高效率工作、提供非常寬的調光范圍、以及各種保護功能 ( 例如: 短路和開路保護) 以提高系統可靠性。當然，這種LED 驅動器電路還必須提供占板面積非常緊湊、扁平和熱效率非常高的解決放案。凌力爾特公司LED 驅動器系列，以憑借LT3795 等高亮度 LED 驅動器IC 應對這些挑戰。此外，凌力爾特公司已經開發了一個完整的大電流LED 驅動器IC 系列，該系列專門針對汽車應用，從先進的前向照明前燈到LCD 背光照明，可用于多種應用。在汽車照明系統不斷要求性能更高的LED 驅動器之際，設計師有了創新的IC 解決方案以滿足他們的要求。
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