針對汽車頭燈應用研發(fā)節(jié)能高效的LED功率轉(zhuǎn)換器技術

近年來，LED產(chǎn)品在很多應用上正逐步取代白熾光源，由于其節(jié)能效率非常高，已被視為未來的重點照明技術。據(jù)統(tǒng)計數(shù)字預計，高亮度LED市場的銷售總額將會從2006年的66億美元增加至2011年的106億美元，平均每年增幅達10.6%。相比傳統(tǒng)的白熾燈技術，高亮度LED的功耗減少很多，其工作壽命也比白熾燈更長。同時，LED產(chǎn)品更環(huán)保。 　　在過去的數(shù)10年里，LED僅使用在汽車警示燈或類似的應用方面。然而，高亮度LED的面世使這些光源能夠擴大到汽車的內(nèi)部照明上，而且還包括方向燈、尾燈及剎車燈。最新的發(fā)展是利用高亮度白光LED作為汽車的白天行車頭燈，并提供明暗燈兩種功能。由于LED十分省電，維修率低且具備較高的設計靈活性，預計將有越來越多的汽車制造商轉(zhuǎn)用LED技術提供各種頭燈功能。 　　LED汽車頭燈系統(tǒng)的要求 　　為產(chǎn)生頭燈所需的足夠亮度，有必要使用多個LED燈。這些LED可以被安排成單一燈串或以3個~15個為一組的多條燈串。為了安全起見，最好是將LED驅(qū)動器的輸出電壓限制于60V以下，而LED驅(qū)動器的輸入電壓范圍最少應為8V~16V。汽車LED頭燈一般需要較大輸入電壓范圍，以便在內(nèi)燃機起動和負載突降期間提供頭燈功能，具體電壓取決于汽車制造商，一般為4V~24V甚至36V。 　　這種應用中，可行的拓撲方法是升壓、降壓/升壓及SEPIC。 　　圖1所示為三種頭燈常用的LED驅(qū)動器拓撲。 　　圖1最上方的電路為升壓拓撲，這是最簡單及最高效率的配置，但其缺點是不能為輸出提供完全安全的短路保護。此外，其輸出電壓必須高于輸入電壓，并需視LED的安排而定，因此有可能形成限制。 　　圖1中間的電路為SEPIC拓撲。這種方法可提供短路保護及寬廣的輸入和輸出電壓范圍，而且輸出電壓可高于或低于輸入電壓。然而SEPIC拓撲的缺點是其對功率組件的要求比升壓及降壓/升壓的要高。 　　圖1最下方的電路是建立在一個標準的低邊升壓控制器基礎上的降壓/升壓浮動拓撲，它可以將負載的能量送返到輸入。在這個特殊的配置中，一個高邊電流傳感放大器負責感測LED的電流。和傳統(tǒng)的降壓/升壓拓撲一樣，電感器電流相當于LED電流/(1-占空比)。但這種配置當遇到短路接地時不能為輸出提供完全的短路保護。 　　典型的設計實例 　　對于汽車LED頭燈來說，直至現(xiàn)在還未能確定哪一種功率轉(zhuǎn)換拓撲才最適合它。對美國國國家半導體最近推出的一款高功率LED控制器LM3421來說，它能適用于所有拓撲。該控制器適合恒流升壓、SEPIC、降壓/升壓及反激拓撲，而且還提供了各種不同拓撲的參考設計。例如，圖2中的LM3421低邊控制器是恒流SEPIC應用的實例，該電路具備高速的調(diào)光功能。 　　雖然市面上有很多其它的低邊功率控制器，但LM3421是專為高亮度LED應用而設計，并且可分別為數(shù)字調(diào)光或仿真調(diào)光提供快速的數(shù)字調(diào)光功能及準確的高邊電流感測。配合高邊電流感測，LED驅(qū)動器在驅(qū)動器與LED之間只需使用一條接線。接地回路方面，并不一定需要路由回到LED驅(qū)動器，而是可以通過車身進行接地。高開關頻率讓設計人員可使用較細小的外部功率級組件，而強大的MOSFET驅(qū)動器能力及低靜態(tài)電流則促成了高效率的功率轉(zhuǎn)換。 　　“預測性關斷時間”控制模式應該算是LM3421解決方案的最大優(yōu)點。與傳統(tǒng)的PWM電流模式控制相比，這種模式在沒有定時情況下，預測性關斷時間控制在任何占空比時均不會出現(xiàn)電流模式的不穩(wěn)定現(xiàn)象，同時它還允許不能在定時電流模式系統(tǒng)中(尤其是升壓拓撲)實現(xiàn)的占空比及電壓轉(zhuǎn)換率。此外，這種控制也無需進行斜率補償。針對那些需要更多功能要求的應用來說，LM3423可以派上用場。該器件擁有一系列的額外功能，包括LED輸出狀態(tài)標記、故障標記、可編程的故障定時器，以及一個可選擇調(diào)光輸出驅(qū)動器極性的邏輯輸入。 　　LED車頭燈已整裝待發(fā) 　　第一輛純LED頭燈汽車已由一間德國車廠于2008年夏季進行投產(chǎn)，其后雖有不少制造商紛紛積極研發(fā)并準備生產(chǎn)，可是直到目前為止，仍有一些障礙使LED頭燈未能破繭而出，這包括光度輸出能力、高亮度LED的效率及驅(qū)動電路的發(fā)展。不過，如今的高亮度LED的亮度已經(jīng)一代比一代出色，一些優(yōu)秀的功率轉(zhuǎn)換電路使得在驅(qū)動LED方面獲得極大的改進且更容易實現(xiàn)?；谶@些發(fā)展，相信LED頭燈將會越來越盛行。