汽车LED照明驱动设计的挑战和解决之道

【导读】汽车环境为LED带来了巨大的挑战，LED必须能提供稳定的光输出，即使大灯周围的电气条件和散热条件不断变化，灯光的通量和色点也必须保持恒定。本文提出一种完全集成、灵活的汽车LED驱动设计，不但能满足汽车外部照明应用的各种要求，同时还能克服现有电子器件设计存在的诸多不足…

LED灯在这些汽车前部照明应用中得到日益广泛的使用，其主要原因在于：相对于常规白炽灯或高亮度放电(HID)灯，LED灯在款式和设计方面具有独到的优势，近期则更是得益于低功耗这一特性。但是，同样重要的是随着LED技术的不断发展，已经可以提供更高的功率水平和更宽的色域。目前，在汽车前部照明应用中，LED灯的性能已不亚于白炽灯。

本文旨在探讨LED照明系统中的这一重要元件，指出在开发LED外灯驱动电子架构时需要考虑的因素。文章将说明在汽车外部照明应用中使用 LED灯的原因(如使用寿命长、功耗低)，同时讨论在这些应用中引入LED灯所面临的挑战，其中包括行业要求(AEC-Q100)和功能要求。

在此基础上，我们将深入研究这些应用要求对电子器件的影响，以便充分挖掘LED灯的巨大潜力。我们将提出一种通用型LED照明系统架构，同时列出电子控制装置所要求的特性。这些特性包括LED散热管理、灵活地驱动不同LED配置以及具有成本优势的系统设计等。

LED在汽车应用领域面临的挑战

汽车环境为LED带来了巨大的挑战，LED必须能提供稳定的光输出，即使大灯周围的电气条件和散热条件不断变化，灯光的通量和色点也必须保持恒定。

由于LED的光输出与应用于LED的电流成比例，同时，LED采用的是扩散式生产工艺，因此即使是同一批次的产品，也可能在驱动电流相同的情况下，其光输出存在差异。为了避免这种不利差异，往往根据某些参数(如正向电压、通量输出)来选择LED(也称筛选)。通过筛选，可以确保同一批次的 LED在光输出和色点方面更加一致。

LED还必须保证在-40℃至+125℃的环境温度范围内，光输出达到具体应用的最低法定光通量要求。头灯的光通量需要达到1,000流明左右，并能在工作温度范围内提供要求的最低光输出。

为了达到这种光通量要求，可能要将数个LED串联或并联起来。将多个高亮度LED灯集合到一起同时对散热管理提出了很高的要求，因为随着LED温度的升高，LED的光输出会大幅下降，色点会发生偏移。因此，LED在产生这种量级的光的过程中散发的热量必须通过散热器传导出去。在一些极端情况下，可能需要降低LED的驱动电流，以避免LED过热和损毁。

汽车工业对LED的可靠性同样提出了严格的要求。LED解决方案必须能够达到AEC-Q100标准的严格要求。这就意味着，LED及驱动器电子器件必须通过该标准的认证。

此外，汽车制造商以及一级照明产品供应商提出了其他的功能要求，比如利用LED来提供双重功能，举例来说，日间行驶灯有时充当停车灯，尾灯有时用作停止灯。这就意味着，LED提供的光必须具有两个可以控制的输出水平。为了避免不同电流水平下的色点偏移，多数系统设计通过对LED电流进行一种脉冲宽度调制(PWM)处理，以减少LED的平均电流，同时还能使峰值电流维持恒定。这样在相同的色点下，可以实现较低的光输出水平。 下一节将介绍在汽车应用中为什么在汽车照明中采用LED?

为什么在汽车照明中采用LED?

对于汽车制造商来说，款式上的优势仍然是使用LED灯的主要原因之一。显然，汽车制造商看到了进一步巩固其汽车品牌的机会。已有多种照明设计从 LED灯提供的更大设计自由度中受益。较为著名的早期案例包括奥迪A8/A6。

不过，关注点正在向LED灯对汽车照明应用带来的其他优势上转移。其中包括更低的功耗、更长的使用寿命和更快的启动时间。

密歇根大学运输研究学院(UMTRI)在2008年发布了一份报告，评估了常规白炽灯和LED解决方案在白天行驶照明功能的能耗水平。他们发现，对于等效功能，LED解决方案的能耗水平要低50%(23W对46W)。这种节省可以直接转换成燃油效率，同时还能使客车的二氧化碳排放量减少50%。

对于准备开发全电动汽车的汽车制造商来说，这种燃油效率十分重要。而对于消费者来说，一个重要的购买标准是电动汽车在充满电的情况下能行驶的距离。为此，汽车制造商们正在寻找适当的方式，以改善各种功能的能耗水平，从而提高汽车的续航能力。LED灯显然具有极大的节能优势，因而日益成为照明设计工程师们的自然选择。

另一个对LED效率的提升以及LED在汽车照明应用领域的渗透做出了不可磨灭的贡献的重要因素是LED的照明效率，即每瓦特的流明(lm/W)。该指标衡量的是LED灯每消耗一瓦特能量所产生的光输出量。该值越高，LED将输入功率转换为光输出的效率就越高。如今的高亮度LED灯能实现 100-150lm/W的照明效率，而一只60W白炽灯仅为10-18lm/W。

这项指标的改进极大地扩大了LED灯的应用范围，并拓展到完全以LED灯为基础的汽车前部照明系统之中。尤其是完全以LED为基础的大灯，其中包括远光和近光调整等功能。

LED对电子系统架构的影响

实际上，LED的诸多功能和优势取决于用于驱动它们的电子器件。电子驱动器解决方案会对LED以及整个系统的效率和性能产生巨大影响。

图1所示为一种针对外部LED灯的通用型LED照明系统架构。图中显示了用于驱动LED的一种通用照明控制模块(LCM)的主要组件。虽然有些架构的LED与驱动器电子器件位于同一模块上，但本方案的LED设于驱动器控制模块的一个独立LED模块上。

图1：一种通用型汽车LED照明系统架构

如前所述，面向车外前部照明应用的LED 一般需要采用某种形式的散热管理。为此，本方案在LED附近设有一个温度传感器。该传感器通过LCM来监控，如果LED温度升高，控制模块将减少进入 LED的电流，从而避免LED过热，防止其发生故障。

为了识别LED的批次，通常要采用一个筛选电阻或编码电阻。通过测量该电阻的值，LCM可以确定应向LED提供的确切电流量，以确保达到具体功能的光输出要求。