盡管LED在汽車前照燈中的應(yīng)用有一些閃亮的例子,但是其采用率的增長速度仍然不如人們預(yù)期的那么快,相對于面向普通照明之固態(tài)照明(SSL)產(chǎn)品的激增而言尤其如此。汽車應(yīng)用提出了一種獨特的設(shè)計挑戰(zhàn),而且成本處于相對較高的水平。然而,LED有望在車前燈中增添獨特的功能。而且,我們將提出一種能夠打造出擁有堅固型功能之車前燈系統(tǒng)的設(shè)計選項。
您可以將普通照明和汽車照明作比較。我們都還記得傳統(tǒng)的鎢絲燈泡。在2013年底,大多數(shù)美國家庭中常用的40W和60W白熾燈泡禁止在美國制造或從國外進(jìn)口;不過,它們?nèi)匀豢梢圆少彙A硗膺€應(yīng)注意的是,75W和100W燈泡在2012年就逐步地淘汰了。
這些燈遭到淘汰的原因是,美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)要求提高電-光輸出功效。這么要求的主要理由是,有助于降低電耗(因此降低了發(fā)電量),因為事實上,美國住宅照明約占美國電力消耗的14%(數(shù)據(jù)來源:Energy Information Administration)。固態(tài)LED照明燈僅需要約1/8的電力,就可產(chǎn)生同等流明的光輸出,因此LED燈已經(jīng)成功進(jìn)入了我們今天的世界。
照明燈從白熾燈到固態(tài)電子燈的演變過程與目前發(fā)生在汽車行業(yè)中的車輛照明的轉(zhuǎn)變類似。盡管紅光LED燈已經(jīng)用在尾燈中10多年了,但是只是在最近,汽車內(nèi)部和前向照明系統(tǒng)的變化才導(dǎo)致LED燈的采用率出現(xiàn)了顯著提高。例如,超過70%的汽車內(nèi)部指示燈和超過45%的儀表顯示器背光照明采用了LED燈。相比之下,目前55%的白天行車燈(DRL)和大約5%的前燈采用了LED燈。盡管前燈(近光、遠(yuǎn)光、霧燈)代表著最大的商機(jī),但也是滲透率最低的市場,很多人發(fā)現(xiàn)了這一矛盾,我就是其中之一。出現(xiàn)這種明顯矛盾的主要原因之一是成本,汽車制造商無法以消費者愿意支付的價格提供LED前燈。
汽車前燈
在探討前燈采用率低的背景原因之前,了解一下為什么很多駕駛員甚至原始設(shè)備制造商都偏愛LED照明解決方案,而這是很有用的。LED照明解決方案受到偏愛的原因包括但不限于以下各項:
性能和設(shè)計靈活性―LED外形尺寸小,因此提供了設(shè)計靈活性,LED還提供范圍很大的調(diào)光能力。記住,人眼對光輸出的微小偏差是非常敏感的。
節(jié)能和較低的二氧化碳排放量―LED不僅具備較高的功效,因而降低了為它們供電所需的能量,而且還具備顯著地延長的生命周期。
成本―這個特點似乎與直覺相悖,但是在非前燈應(yīng)用中,成本持續(xù)下降、耐用性和卓越的質(zhì)量已經(jīng)使LED成為最終消費者價值的新標(biāo)準(zhǔn)。
監(jiān)管―很多政府法規(guī)規(guī)定了對白天行車燈和前燈以及其他照明應(yīng)用的要求,這些法規(guī)導(dǎo)致對LED照明的需求增大了。
奧迪被普遍認(rèn)為是LED應(yīng)用的領(lǐng)導(dǎo)者,我想,任何人對這一點都不會感到驚訝,因為奧迪在幾乎任何外部汽車照明應(yīng)用中都使用了LED。任何人在后視鏡中看到奧迪著名的“眼眉”白天行車燈,都會覺得非常引人注目。此外,奧迪是第一家使用LED前燈的汽車制造商,用在了2004年的奧迪R8中。而且,該公司因其能夠引導(dǎo)光束(圖1示出了光束控制的一個實例)的矩陣式車前燈而廣為人知。
圖1:此圖示出了矩陣式LED車前燈是怎樣散射光的
那么,LED前燈為什么沒有像用于其他形式汽車照明的LED那樣流行起來呢?答案當(dāng)然是成本??梢匀〈鶯ED前燈的其他產(chǎn)品包括:白熾燈、鹵素?zé)艋蚋呙芏确烹?HID)氙氣燈??杀萀ED燈的價格可能比鹵素前燈(1962年首先在歐洲推出,但直到1978年才在美國得到采用)高100%,比HID氙氣燈(要實現(xiàn)與HID氙氣前燈可比的性能,需要一個比更低性能鹵素?zé)魞r格高得多的LED解決方案)高1.5倍。順便提一句,首款HID氙氣前燈出現(xiàn)于1991年的寶馬7系列中。
哪里適合LED
一般而言,LED前燈的亮度介于鹵素?zé)艉虷ID燈之間,但是LED燈的光線聚焦度高得多,而且還可以控制產(chǎn)生不同形狀。此外,由于LED燈尺寸很小,因此允許使用各種擺放和安裝方式,汽車制造商能夠開發(fā)各種形狀的LED燈和組裝方法,以完美地與車型相配。
盡管LED發(fā)光時不產(chǎn)生熱量,但是通電時,在它們的發(fā)射器底部確實產(chǎn)生一定的熱量,因此對相鄰組件和連接電纜造成了潛在風(fēng)險。由于這個原因,LED前燈需要冷卻系統(tǒng)(例如散熱器或風(fēng)扇)以避免熔化。此外,這類冷卻系統(tǒng)位于發(fā)動機(jī)艙內(nèi),對于其他一些需要保持合適溫度的系統(tǒng)而言,發(fā)動機(jī)艙不是個太涼爽的區(qū)域。這是LED前燈更難以設(shè)計、更難以在汽車中采用的另一個原因,也因此比HID燈價格更高。
另外,LED也許并不是下一代車前燈的唯一備選方案。美國商業(yè)類雜志近期發(fā)表的一篇文章描述到:奧迪(Audi)目前在其高性能R8車系中推出了一款可任選的激光遠(yuǎn)光燈。該系統(tǒng)的卓越之處是不會把光照射到行駛在其前方的車輛上,因此遠(yuǎn)光燈可以保持接通并自我調(diào)節(jié),即使其前方有多達(dá)8輛汽車也不例外。與LED遠(yuǎn)光燈相比,Audi的激光聚光燈能夠沿著行駛的道路把其光束投射兩倍之遠(yuǎn)(超過500英尺),從而為駕駛者提供更大的能見距離。
IC有助于LED前燈的采用
現(xiàn)在讓我們來解決在驅(qū)動LED的挑戰(zhàn)。白熾燈要產(chǎn)生光輸出,所需全部條件就是其燈絲中要有電流通過,與此不同,LED需要專門的集成電路來驅(qū)動。(圖2)
圖2:LT3956IC可在寬調(diào)光范圍驅(qū)動串聯(lián)LED
今天,LED驅(qū)動器IC必須具有的一個關(guān)鍵性能特點是能夠充分調(diào)光。LED是用恒定電流驅(qū)動的,其DC電流值與LED亮度成比例。要通過控制LED電流改變LED亮度,有兩種調(diào)光方法。
第一種是模擬調(diào)光,通過降低恒定的LED電流值,成比例地降低LED的DC電流值。降低LED電流可能導(dǎo)致LED色彩改變,或者LED電流控制不準(zhǔn)確。第二種方法是數(shù)字或脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)光。PWM調(diào)光以等于或高于100Hz的頻率接通和斷開LED,這樣的變化人眼察覺不到。PWM調(diào)光占空比與LED亮度成比例,而接通時的LED電流值保持在由LED驅(qū)動器IC設(shè)定的值,從而在高調(diào)光比時保持了LED顏色的恒定。在某些應(yīng)用中,這種PWM調(diào)光方法可實現(xiàn)3000:1的調(diào)光比。
讓我們更加詳細(xì)地看一下典型車前燈電路中的一款專用LED驅(qū)動器IC。新型LT3965可接受80V輸入和輸出,并能夠?qū)崿F(xiàn)一款恒定電流、恒定電壓轉(zhuǎn)換器。這拓?fù)涫乖撈骷軌蝌?qū)動大電流LED。參見圖3。該器件具備一個內(nèi)部低壓側(cè)N溝道功率MOSFET,輸入額定值為84V、3.3A,由一個內(nèi)部調(diào)節(jié)的7.15V電源驅(qū)動。固定頻率、電流模式架構(gòu)可在很寬的電源和輸出電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定運行。以地為基準(zhǔn)的電壓FB引腳作為幾個LED保護(hù)功能的輸入,還使該轉(zhuǎn)換器可以作為一個恒定電壓源使用。頻率調(diào)節(jié)引腳使用戶能夠在100kHz至1MHz范圍內(nèi)設(shè)定頻率,以優(yōu)化效率、性能或外部組件尺寸。
圖3:一個I2C8-開關(guān)矩陣式調(diào)光器LED驅(qū)動器IC
LT3956在LED串的高壓側(cè)檢測輸出電流(常稱為高壓側(cè)電流檢測)。這是最靈活的LED驅(qū)動方法,可實現(xiàn)升壓、降壓或降壓-升壓模式配置。
盡管LED前燈目前的市場滲透率低,但是顯然,性能提升太有吸引力了,汽車制造商對LED燈目前這種態(tài)度不可能持續(xù)太久。產(chǎn)生吸引力的原因包括:提高駕駛員行車安全性、靈活改變車身造型的能力、節(jié)能以及純粹為了實現(xiàn)好看的外觀。我們都知道,汽車外觀好看,我們就想買。您以后在駕車四處行走時,請留心看一下矩陣式照明,因為當(dāng)您看向后視鏡時會發(fā)現(xiàn),矩陣式照明及LED前燈的使用將有大幅增加。