背景

如今汽車的定義在不斷演變，變化之多遠勝以往。在過去100年里，采用內燃動力傳動系統的汽車一直占據主導地位，主要由汽油提供動力，還有少量的柴油動力傳動系統。可是現在，從純電動型(EV)到高效率內燃傳動系統，再到大量組合式傳動系統 (常稱為混合動力傳動系統)，我們有了多種汽車動力傳動系統。所有這些設計都有一個共同的目標，即提高燃油效率，同時減少碳排放量。新型動力總成設計包括直接燃料噴射、渦輪增壓、引擎停止/啟動系統、再生制動、乙醇含量較高的燃料以及較清潔的柴油燃燒。隨著混合動力型汽車的開發，汽車變得更加依賴較清潔的電力來源了。盡管取得了如此大的進步，但是汽車設計有一方面仍相對地穩定，那就是為了在夜間或天氣條件不夠完美的情況下行車，需要提供前向照明。此外，產生所需光照的方法也從采用鹵素燈轉變為采用高強度放電(HID)燈，最近又在向基于高亮度(HB) LED的設計轉變，從而為高亮度LED開拓了一條增長之路。

今年，高亮度LED的市場規模預計將達到120億美元，到2015年，這一數字將增長到202億美元。年復合增長率為30.6% (數據來源：Strategies Unlimited)。驅動這種顯著增長的主要應用領域之一就是LED應用于汽車設計。汽車應用包括前燈、白天行車燈和剎車燈以及儀表板顯示器背光照明和所有車內梳妝照明燈。不過，為了保持如此顯著的增長率，LED必須提供更高的可靠性、更低的功耗和更緊湊的外形尺寸，而且還必須能實現創新性設計，例如可操控的汽車前照燈和防眩目調光。此外，在汽車環境中，必須對所有這些改進都進行優化，同時還要承受相對嚴酷的汽車電氣及物理環境的考驗。不言而喻，這些解決方案必須提供非常扁平的外形和緊湊的占板面積，同時提高總體成本效益。

盡管LED用于白天行車燈、剎車燈、轉向信號燈和內部照明已有幾年了，但是特定于前燈的應用仍然相對較少，只有少數投產車型提供LED前燈。有人估計，2011年LED前燈市場大約為10億美元，到2014年預計將超過20億美元。

汽車照明系統設計師面臨的最大挑戰之一是如何最大限度地發揮最新一代高亮度LED的所有優勢。因為高亮度LED一般需要準確、高效率的DC電流源，還需要調光，所以LED 驅動器IC必須設計成能在多種條件下滿足這些要求。所以，電源解決方案必須是高效率、功能堅固和非常可靠的，同時還要非常緊湊并具有高成本效益。可以說，就驅動高亮度LED 而言，要求最苛刻的應用之一是汽車前燈應用，因為這類應用要經受苛刻的汽車電氣環境的考驗，必須提供大功率，一般在50W~75W之間，還必須能裝進空間非常受限的外殼中，同時在滿足所有這些要求的情況下，還要保持有吸引力的成本結構。

汽車 LED 前燈

高亮度LED前燈有眾多優勢，例如尺寸小、壽命極長、功耗低以及增強了調光功能，這些優勢成為高亮度LED前燈得到廣泛采用的催化劑。一些汽車制造商，包括奧迪、奔馳以及最近加入的雷克薩斯，都已經用LED設計了與眾不同的行車燈，這些燈圍繞在前燈周圍，如果把前燈比作眼睛，那么這些行車燈就像眉毛一樣，制造商這么做是為了突出品牌特色，讓人們還沒看清車是什么樣子的時候，就知道開過來的是哪個品牌的車。從設計的角度來說，這些應用獨具特色，而且與近光和遠光前燈相比，這些應用面臨的設計挑戰也不同。

我們都知道，前燈的主要功能是，在夜間或天氣條件不夠理想的情況下(例如在雨、雪和霧天)提供前向照明。需要更高的照明度一直是前燈發展的主要驅動力。上世紀80年代，鹵素燈是業界標準，這類燈憑借其具有的50W的電功率可提供大約1，500 lm的光輸出，與其前幾代產品相比，光輸出提高了50%。這一光輸出轉換成功效 (每瓦光輸出) 就是30 lm/W。上世界 90 年代中期，高強度放電 (HID) 氙燈成為主流，因為這類燈能提供高達80 lm/W的光輸出，從而使制造商能提供更大的總體光輸出。不過，氙燈也有缺點，如為了不造成迎面而來的車輛看不清路況，需要準確調節；工作壽命相對較短，僅為2，000小時；使用有毒的水銀蒸汽；制造費用很高。隨著高亮度 LED 的功效持續提高，這類LED已經成為前燈更希望使用的產品。5年前，已用在汽車中的高亮度LED提供50 lm/W功效，這還不足以用于前燈應用，然而現在的LED設計提供100 lm/W功效，而且估計用不了幾年，就將超過150 lm/W的功效，從而甚至能超過最好的高強度放電燈。LED能提供大約同樣的每瓦光輸出量，而且還具有其他益處，例如長壽命、堅固性和環保設計，這些都使得用LED構成新一代前燈非常有吸引力。

在汽車前燈中使用LED有幾項積極意義。首先，這些LED燈永遠不需要更換，因為它們的可靠壽命長達 10萬小時以上 (相當于11年半的使用年限)，甚至超過了汽車的壽命。因此汽車制造商可以將LED永久性地嵌入到前燈設計中，而無需為更換留出余地。這還使汽車款式能得到極大的改變，因為LED照明系統不需要高強度放電燈或鹵素燈那么大的深度或面積。在靠輸入電功率提供光輸出 (以流明量度) 方面，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)。這會產生兩種積極影響。首先，LED燈從汽車總線吸取更少的電功率，在電動汽車和混合動力汽車中，這一點尤其重要。同樣重要的是，LED燈降低了需要在照明系統中散出的熱量，從而無需笨重、昂貴的散熱器。最后，通過使用高亮度LED陣列以及對LED陣列進行電子控制或調光，LED前燈可以非常容易地設計成可為很多不同的行車條件優化照明。

設計參數

為了確保最佳性能和較長的工作壽命，LED需要有效的驅動電路。不管輸入電壓源的變化范圍有多寬，這些驅動器IC都必須提供準確、高效率的DC電流源和準確的LED電壓調節。其次，驅動器IC必須提供調光方法和多種保護功能，以防遇到LED開路或短路故障。除了能靠電氣環境非常苛刻的汽車電源總線可靠工作，驅動器IC還必須具有高成本效益并有效利用空間。

汽車電子瞬態造成的挑戰：停止/啟動、冷車發動和負載突降情況

為了最大限度地提高燃油里程，同時盡量降低碳排放量，可選擇的動力驅動技術在不斷演變。無論這些新技術納入了混合電動、清潔柴油還是更傳統的內燃機設計，它們都有可能采用停止-啟動電動機設計。這種設計在全世界幾乎所有的混合動力汽車中已十分普遍，停止-啟動電動機設計已經普遍存在，很多歐洲和亞洲的汽車制造商也一直在將這種設計納入傳統的汽油和柴油車輛中。美國福特汽車公司已宣布，將在很多面向美國市場的2012車型中，采用停止-啟動系統。

就發動機而言，停止-啟動系統的概念很容易理解，當車輛停止時，發動機關閉，然后在要求車輛再次開動時，發動機立即重新啟動。這樣一來，當汽車在行駛中因交通情況或紅燈而暫停時，就不會消耗燃油，也不會排放碳。這種停止-啟動設計可將燃油消耗量和碳排放量降低5% ~10%。不過，此類設計所面臨的最大挑戰是：怎樣使整個起停狀況不為駕駛者所察覺。為避免駕駛者覺察汽車的起停能力，存在著兩大設計障礙：第一個是快速重啟時間。有些制造商利用增強的啟動器設計，將重啟時間降至不到0.5 s，從而使重啟真正感覺不到；第二個設計挑戰是，在發動機關閉時，保持所有電子系統直接由電池供電，包括空調系統和照明系統，而且同時仍然保持足夠的電池電量儲備，以在加速時快速重啟發動機。

為了納入停止-啟動功能，的確需要對動力傳動系統的設計進行一些修改。過去的交流發電機也許還要用作增強的電動機起動器，以確保快速重啟。另外，必須增加一個停止-啟動電子控制單元 (ECU)，以控制發動機何時以及怎樣啟動和停止。當發動機/交流發電機關閉時，電池必須能給車輛的各種燈、環境控制系統以及其他電子系統供電。此外，當再次需要發動機工作時，電池必須能給啟動器供電。這種極端的電池加載情況引入了另一個設計挑戰，這一次是電氣方面的挑戰，因為重啟發動機需要大量吸取電流，這又可能使電池電壓暫時被拉低至5V。對LED驅動器的挑戰是，當電池總線電壓短暫下降至5V，然后返回標稱的13.8V(這時充電器返回穩定狀態)時，持續提供良好穩定的輸出電壓和LED電流。

當汽車發動機處于寒冷或冰凍溫度一段時間后，會發生“冷車發動”情況，在這種情況下，機油變得極度黏滯，需要發動機啟動器提供更大的扭矩，這又導致從電池吸取更大的電流。這么大的負載電流可能在點火時將電池/主總線電壓拉低至不到5V，之后該電壓一般返回到標稱的13.8V。就發動機控制、行車安全和導航系統等應用而言，在發生冷車發動情況時，保持良好穩定的輸出電壓(通常為5V)是非常重要的，這樣才能在車輛啟動時，持續保持電源系統工作。

如果電池電纜在交流發電機對電池進行充電時意外斷接，則將發生“負載突降”的情況。當電池電纜在汽車工作時出現松動或者電池電纜在汽車行駛時出現斷裂，這種情況就有可能發生。電池電纜的這種突然斷接有可能導致高達60V的瞬態電壓尖峰，因為交流發電機試圖給不存在的電池完全充電。交流發電機上的瞬態電壓抑制器通常將總線電壓箝位在30V ~34V之間，并吸收大部分浪涌電流。但是，交流發電機下游的DC/DC轉換器和LED驅動器要承受高達36V的瞬態電壓尖峰。在這類瞬態事件發生時，要求這些LED驅動器不僅不被損壞，還必須持續調節輸出電壓和LED電流。

一種面向汽車應用的同步降壓-升壓型高亮度LED驅動器

幸運的是，對這些難題已經有了新的解決辦法，那就是凌力爾特的LT3791 LED驅動器。LT3791是一款同步降壓-升壓型DC/DC LED驅動器和電壓控制器，可提供超過100W的LED功率，其4.7V ~60V的輸入電壓范圍使該器件非常適用于多種應用，其中包括汽車、卡車甚至航空電子的高亮度LED前燈。類似地，其輸出電壓可以在0V ~ 60V的范圍內設定，從而能驅動多種單串LED。

典型的50W前燈應用如圖1所示。這個應用運用單個電感器，以在電流為2A時準確地調節一個25V的LED串，并提供50W LED功率。該電路可提供一個50:1的PWM調光比，非常適用于滿足防眩目自動調光要求。對輸入和輸出(LED)電流均進行了監視，同時提供了故障保護功能，以安然承受并報告LED開路或短路情況。

圖 1，效率為98%、功率為50W (25V、2A)的降壓-升壓型LED驅動器具50:1的調光比。

其內部的4個降壓-升壓型開關控制器在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓時工作，從而非常適用于汽車等應用。在這類應用中，輸入電壓在啟動/停止、冷車發動和負載突降情況下可能變化很大。在降壓、直通和升壓工作模式之間的轉換是無縫的，從而不管電源電壓的變化范圍有多寬，都能提供良好的穩壓輸出。LT3791的獨特設計采用了3個控制環路，以監視輸入電流、LED電流和輸出電壓，并提供最佳性能和可靠性。

LT3791運用4個外部開關MOSFET，可連續提供從50W ~100W的LED功率，效率高達98%，如圖2所示。在以傳統方式供電的車輛中，高效率非常重要，因為可最大限度降低對散熱器的需求，從而實現占板面積非常緊湊的扁平解決方案。而在電動汽車(EV)中，這種功率節省可在充電之間增加車輛運行的里程數，這是非常寶貴的。

±6%的LED電流準確度確保為LED串提供恒定照明，同時±2%的輸出電壓準確度可提供幾種LED保護功能，并使轉換器能作為恒定電壓源工作。LT3791可按照應用要求，采用模擬或PWM調光方法。此外，其開關頻率可在200 kHz ~700 kHz 范圍內設定，或同步至一個外部時鐘。其他特點包括輸出斷接、輸入和輸出電流監視器以及集成的故障保護。

圖 2，圖 1 中LED的效率。

EFFICIENCY：效率 INPUT VOLTAGE：輸入電壓 BOOST：升壓

BUCK-BOOST：降壓-升壓 BUCK：降壓

結論

對更高性能和更高成本效益永無止境的需求驅動了高亮度LED應用，尤其是對汽車前燈應用的持續加速增長。這些需求必須由新型高亮度LED驅動器IC來滿足。新型LED驅動器必須提供恒定電流，無論輸入電壓或LED正向電壓如何變化，都可保持均勻的亮度，并以高效率工作，而且提供非常寬的調光范圍和各種保護功能，進而提高系統可靠性。當然，這些 LED驅動器電路還必須能使構成占板的面積非常緊湊、扁平和熱效率非常高。凌力爾特不斷重新定義其LED驅動器系列，以利用LT3791這類高亮度LED驅動器IC以戰勝這些挑戰。此外，凌力爾特已經開發出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，適用于從先進的前向照明前燈到LCD背光照明的各種應用。汽車照明系統持續需要更高性能的LED驅動器，現在設計師有了創新的IC解決方案來滿足這種需求了。

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