汽车 LED 前灯不断演变

作者：凌力尔特公司电源产品部产品市场总监 Tony Armstrong

背景信息

如果您和我年龄相仿，您可能仍然记得传统钨丝灯泡。我之所以这么说是因为，多数美国家庭过去通常使用的 40W 和 60W 白炽灯，从 2013 年末已经禁止在美国生产或向美国进口了 (不过这种灯仍然可以买到)。还有一件事也应该提到，75W 和 100W 照明灯 2012 年已经淘汰了。这些灯遭到淘汰的原因是，美国环境保护署 (EPA) 要求提高电-光输出功效。这么要求的主要理由是，有助于降低电耗 (因此降低了发电量)，因为事实上，美国住宅照明约占美国电力消耗的 14% (数据来源： Energy Information Administration)。固态 LED 照明灯仅需要约 1/8 的电力，就可产生同等流明的光输出，因此 LED 灯已经成功进入了我们今天的世界。

照明灯从白炽灯到固态电子灯的演变过程与目前发生在汽车行业中的车辆照明的转变类似。尽管红光 LED 灯已经用在尾灯中 10 多年了，但是只是在最近，汽车内部和前向照明系统的变化才导致 LED 灯的采用率出现了显着提高。例如，超过 70% 的汽车内部指示灯和超过 45% 的仪表显示器背光照明采用了 LED 灯。相比之下，目前 55% 的白天行车灯 (DRL) 和大约 5% 的前灯采用了 LED 灯。尽管前灯 (近光、远光、雾灯) 代表着最大的商机，但也是渗透率最低的市场，很多人发现了这一矛盾，我就是其中之一。出现这种明显矛盾的主要原因之一是成本，汽车制造商无法以消费者愿意支付的价格提供 LED 前灯。

汽车前灯

在探讨前灯采用率低的背景原因之前，了解一下为什么很多驾驶员甚至原始设备制造商都偏爱 LED 照明解决方案，而这是很有用的。LED 照明解决方案受到偏爱的原因包括但不限于以下各项：

•    性能和设计灵活性 ―  LED 外形尺寸小，因此提供了设计灵活性，LED 还提供范围很大的调光能力。记住，人眼对光输出的微小偏差是非常敏感的。

•    节能和较低的二氧化碳排放量 ―  LED 不仅具备较高的功效，因而降低了为它们供电所需的能量，而且还具备显着地延长的生命周期。

•    成本 ―  这个特点似乎与直觉相悖，但是在非前灯应用中，成本持续下降、耐用性和卓越的质量已经使 LED 成为最终消费者价值的新标准。

•    监管 ―  很多政府法规规定了对白天行车灯和前灯以及其他照明应用的要求，这些法规导致对 LED 照明的需求增大了。

奥迪被普遍认为是 LED 应用的领导者，我想，任何人对这一点都不会感到惊讶，因为奥迪在几乎任何外部汽车照明应用中都使用了 LED。任何人在后视镜中看到奥迪著名的“眼眉”白天行车灯，都会觉得非常引人注目。此外，奥迪是第一家使用 LED 前灯的汽车制造商，用在了 2004 年的奥迪 R8 中。

那么， LED 前灯为什么没有像用于其他形式汽车照明的 LED 那样流行起来呢? 答案当然是成本。可以取代 LED 前灯的其他产品包括：白炽灯、卤素灯或高密度放电 (HID) 氙气灯。可比 LED 灯的价格可能比卤素前灯 (1962 年首先在欧洲推出，但直到 1978 年才在美国得到采用) 高 100%，比 HID氙气灯 (要实现与 HID 氙气前灯可比的性能，需要一个比更低性能卤素灯价格高得多的 LED 解决方案) 高 1.5 倍。顺便提一句，首款 HID 氙气前灯出现于 1991 年的宝马 7 系列中。

一般而言，LED 前灯的亮度介于卤素灯和 HID 灯之间，但是 LED 灯的光线聚焦度高得多，而且还可以控制产生不同形状。此外，由于 LED 灯尺寸很小，因此允许使用各种摆放和安装方式，汽车制造商能够开发各种形状的 LED 灯和组装方法，以完美地与车型相配。尽管 LED 发光时不产生热量，但是通电时，在它们的发射器底部确实产生一定的热量，因此对相邻组件和连接电缆造成了潜在风险。由于这个原因，LED 前灯需要冷却系统 (例如散热器或风扇) 以避免熔化。此外，这类冷却系统位于发动机舱内，对于其他一些需要保持合适温度的系统而言，发动机舱不是个太凉爽的区域。这是 LED 前灯更难以设计、更难以在汽车中采用的另一个原因，也因此比 HID 灯价格更高。


图 1：这个例子显示矩阵式 LED 前灯是怎样发送光线的

不过，故事到这里还没讲完。我最近在美国行业媒体上读到一篇文章，文中称，奥迪已开始在高性能 R8 中提供可选激光远光灯。这种激光照明灯有一点非常出色，能够在前灯保持打开的情况下自我调节，使光线不落在前面行驶的车辆上，甚至多达前面 8 辆车。与 LED 前灯相比，奥迪的激光聚光灯可以照到 2 倍远的距离 (超过 500 英尺)，从而为驾驶员提供了距离更远的可见度。

最新 IC 有助于 LED 前灯的采用

白炽灯要产生光输出，所需全部条件就是其灯丝中要有电流通过，与此不同，LED 需要专门的集成电路来驱动。

今天，LED 驱动器 IC 必须具有的一个关键性能特点是能够充分调光。LED 是用恒定电流驱动的，其 DC 电流值与 LED 亮度成比例。要通过控制 LED 电流改变 LED 亮度，有两种调光方法。第一种是模拟调光，通过降低恒定的 LED 电流值，成比例地降低 LED 的 DC 电流值。降低 LED 电流可能导致 LED 色彩改变，或者 LED 电流控制不准确。第二种方法是数字或脉冲宽度调制 (PWM) 调光。PWM 调光以等于或高于 100Hz 的频率接通和断开 LED，这样的变化人眼察觉不到。PWM 调光占空比与 LED 亮度成比例，而接通时的 LED 电流值保持在由 LED 驱动器 IC 设定的值，从而在高调光比时保持了 LED 颜色的恒定。在某些应用中，这种 PWM 调光方法可实现 3000 : 1 的调光比。

凌力尔特的 LED 驱动器 IC 能够以满足输入电压范围和所需的输出电压及电流范围之转换拓扑、为很多不同类型的 LED 配置提供充足的电流和电压，尤其是在驱动高亮度 LED 时。因此，凌力尔特的高亮度 LED 驱动器 IC 一般具备以下特性：

•    宽输入电压范围
•    宽输出电压范围
•    高效率转换
•    严格调节的 LED 电流匹配
•    以低噪声、恒定频率工作
•    独立的电流和调光控制
•    宽调光范围比
•    小型和紧凑的占板面积，所需外部组件最少

为满足驱动汽车前灯中常见 LED 所产生的特定设计需求，凌力尔特提供了种类繁多的产品。最近的一个例子是新推出的 LT3965，这是一款能提供 80V 输入和输出电压的恒定电流和恒定电压转换器。其拓扑使该器件能够驱动大电流 LED。参见图 2。该器件具备一个内部低压侧 N 沟道功率 MOSFET，输入额定值为 84V、3.3A，由一个内部调节的 7.15V 电源驱动。固定频率、电流模式架构可在很宽的电源和输出电压范围内实现稳定运行。以地为基准的电压 FB 引脚作为几个 LED 保护功能的输入，还使该转换器可以作为一个恒定电压源使用。频率调节引脚使用户能够在 100kHz 至 1MHz 范围内设定频率，以优化效率、性能或外部组件尺寸。

LT3956 在 LED 串的高压侧检测输出电流 (常称为高压侧电流检测)。这是最灵活的 LED 驱动方法，可实现升压、降压或降压-升压模式配置。


图 2：驱动一个串连 LED 串的 LT3956 电路原理图

VIN 6V to 60V：VIN 6V 至 60V
(80V TRANSIENT)：(80V 瞬态)
25W LED STRING：25W LED 串

结论

我相信，尽管 LED 前灯目前的市场渗透率低，但是显然，性能提升太有吸引力了，汽车制造商对 LED 灯目前这种态度不可能持续太久。产生吸引力的原因包括：提高驾驶员行车安全性、灵活改变车身造型的能力、节能以及纯粹为了实现好看的外观。我们都知道，汽车外观好看，我们就想买。您以后在驾车四处行走时，请留心看一下矩阵式照明，因为当您看向后视镜时会发现，矩阵式照明及 LED 前灯的使用将有大幅增加。