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光電/顯示技術  

驅動IC推動LED汽車頭燈進展

上網時間: 2016年02月03日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:驅動IC  LED  頭燈  白熾燈  照明 

作者:Tony Armstrong,凌力爾特電源產品部產品市場總監

如果您和我年齡相仿,您可能仍然記得傳統鎢絲燈泡。我之所以這麼說是因為多數美國家庭過去常用的40W和60W白熾燈,從2013年末已經禁止在美國生產或向美國進口了(不過這種燈仍然可以買到)。還有一件事也應該提到,75W和100W照明燈在2012年已經淘汰了。這些燈遭到淘汰的原因是,美國環保署(EPA)要求提高電-光輸出功效。這麼要求的主要理由是有助於降低電力消耗(因而降低發電量),因為事實上,美國住宅照明約佔美國電力消耗的14%(資料來源:EIA)。固態LED照明燈僅需要約1/8的電力,就可產生同等流明的光輸出,因此,LED燈已經成功地進入了我們今天的世界。

照明燈從白熾燈到固態電子燈的演變過程與目前發生在汽車產業中的汽車照明變化類似。儘管紅光LED燈已經用在車尾燈約有十多年了,但一直到最近,汽車內部和前向照明系統的變化才導致LED燈的採用率顯著提高。例如,超過70%的汽車內部指示燈和超過45%的儀表板背光照明採用了LED燈。相形之下,目前有超過55%的日行燈(DRL)和大約5%的頭燈採用了LED燈。儘管汽車頭燈(近光、遠光、霧燈)代表著最大的商機,但也是滲透率最低的市場,很多人發現了這一矛盾,我就是其中之一。出現這種明顯矛盾的主要原因之一是成本,汽車製造商無法以消費者願意支付的價格提供LED頭燈。

汽車頭燈

在探討頭燈採用率低的背景原因之前,先瞭解一下為什麼很多駕駛人甚至OEM都偏愛LED照明解決方案是很有幫助的。LED照明解決方案受到偏愛的原因至少有以下幾點:

性能和設計彈性LED 外形尺寸小,因此提供了設計彈性,LED還提供範圍廣泛的調光能力。記住,人眼對光輸出的微小偏差是非常敏感的。

節能和較低的二氧化碳排放量:LED不僅具備較高的功效,因而降低為其供電所需的能量,而且還具備顯著延長的生命週期。

成本:這個特點似乎與直覺相悖,但是在非頭燈應用中,成本持續下降、耐用性和卓越的品質已經使LED成為終端消費者價值的新標準了。

監管:很多政府法規規定了日行車燈和頭燈以及其他照明應用的要求,這些法規導致對LED照明的需求增加。

奧迪汽車(Audi)普遍被認為是LED應用的主導者,我想,任何人對這一點都不會感到驚訝,因為Audi幾乎在任何外部汽車照明應用中都使用了LED。任何人在後視鏡中看到Audi著名的「淚眼」(eyebrow)日行燈,都會覺得非常引人注目。此外,Audi是第一家使用LED頭燈的汽車製造商,首度使用於2004年的Audi R8中。

那麼,LED頭燈為什麼無法像用於其他形式的汽車照明LED那樣流行呢?答案當然是成本。可以取代LED頭燈的其他產品包括:白熾燈、鹵素燈或高強度氣體放電(HID)氙氣燈。LED燈的價格可能比鹵素頭燈(1962年首先在歐洲推出,但直到1978年才在美國獲得採用)高 100%,也比HID氙氣燈(要實現與HID氙氣頭燈性能相當的LED解決方案,所需的價格還比更低性能鹵素燈的價格更高許多)高1.5倍。順便一提,首款HID氙氣頭燈出現於1991年的BMW 7系列。

一般而言,LED頭燈的亮度介於鹵素燈和HID燈之間,但是LED燈的光線聚焦度更高得多,而且還可以控制產生不同形狀。此外,由於LED燈的尺寸很小,因此可利用各種擺放和安裝方式,讓汽車製造商開發各種形狀的LED燈和組裝方法,從而完美地搭配車型。儘管LED發光時不產生熱量,但通電時會在發射器底部產生一定的熱量,因而對相鄰元件和連接電纜造成了潛在風險。因此,LED頭燈需要冷卻系統(例如散熱片或風扇)以避免熔化。此外,這類冷卻系統位於引擎室內,對於其他一些需要保持合適溫度的系統而言,引擎室並不是一個太涼爽的區域。這是LED頭燈更難以設計與建置於汽車中的另一個原因,因而也比HID燈價格更高。


矩陣式LED頭燈發送光線實例

不過,故事到這裡還沒講完。我最近在美國產業媒體上讀到一篇文章,文中說Audi已經在高性能R8汽車中配備選用雷射遠光燈了。這種雷射照明燈有一點非常出色,它能在頭燈保持開啟的情況下自動調整,使光線不落在前面行駛的車輛上,甚至可遠達前方8輛車的距離。相較於LED頭燈,Audi的雷射聚光燈可以照到2倍遠的距離(超過500英呎),從而為駕駛人提供距離更遠的可見度。

新驅動器IC促進LED頭燈導入

為了讓白熾燈產生光輸出,條件在於其燈絲中要有電流通過,相形之下,LED則需要專用的IC進行驅動。

目前的LED驅動器IC必須具備的關鍵性能特點是能夠充份調光。LED是用定電流驅動的,其DC電流值與LED亮度成一定比例。要透過控制LED電流改變LED亮度有兩種調光方法。第一種是類比調光,透過降低?定的LED電流值,成比例地降低LED的DC電流值。降低LED電流可能導致LED色彩改變,或者LED電流控制不準確。第二種方法是數位或脈衝寬度調變(PWM)調光。PWM調光以等於或高於100Hz的頻率接通和斷開LED,這樣的變化是人眼察覺不到的。PWM調光工作週期與LED亮度成比例,而導通時的LED電流值保持在由LED驅動器IC設定的值,從而在高調光比時保持了LED顏色的?定。在某些應用中,這種PWM調光方法可實現3000:1的調光比。

凌力爾特科技(Linear Technology)最近的LED驅動器IC能夠以滿足輸入電壓範圍、所需輸出電壓與電流範圍的轉換拓撲,為很多不同類型的LED配置提供充足的電流和電壓,尤其是在驅動高亮度LED時。凌力爾特的高亮度LED驅動器IC一般具備多項特性,包括寬廣的輸出/輸入電壓範圍、高效率轉換、嚴格調節的LED電流匹配、以低雜訊與?定頻率工作、獨立的電流和調光控制、寬廣的調光範圍比,以及小型精巧的佔位面積,使得所需的外部零件數最少。

為了滿足驅動汽車頭燈中常見LED所產生的特定設計需求,凌力爾特還提供種類繁多的產品。最近的一個例子是新推出的LT3965,這是一款能提供80V輸入和輸出電壓的定電流和定電壓轉換器。其拓撲使該元件能夠驅動大電流LED(如圖2)。該元件具備一個內部低壓側N通道功率MOSFET,輸入額定值為84V、3.3A,由一個內部調節的7.15V電源驅動。固定頻率、電流模式架構可在寬廣的電源和輸出電壓範圍內實現穩定運作。接地參考電壓FB接腳可作為幾個LED保護功能的輸入,還使該轉換器作為恆定電壓源使用。頻率調節接腳讓使用者能夠在100kHz至1MHz範圍內設定頻率,從而最佳化效率、性能或外部元件尺寸。

LT3956在LED串的高壓側檢測輸出電流(常稱為高壓側電流檢測)。這是最彈性的LED驅動方法,可實現升壓、降壓或升降壓模式配置。


驅動一個串聯LED串的LT3956電路原理圖

結論

我認為,儘管LED汽車頭燈目前的市場滲透率低,但很顯然地,其性能的提升太有吸引力了,汽車製造商對於LED燈目前的這種態度不可能持續太久。LED頭燈所帶來的吸引力包括:提高駕駛人的行車安全性、彈性化改變車身造型的能力、節能以及純粹為了實現好看的外觀。我們都知道,汽車外觀好看,我們才會想買。記得以後在駕車四處行走時,請留心看一下矩陣式照明,因為當您看向後視鏡時將會發現,矩陣式照明以及LED頭燈的使用將大幅增加。





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