功能丰富的 LED 驱动器 IC 可用来实现大功率汽车 LED 前灯

 背景信息

到 2015 年，高亮度 (HB) LED 的市场规模预计将达到 202 亿美元 (数据来源：Strategies Unlimited)。驱动这种增长的关键应用领域之一是汽车设计中使用的 LED。应用包括前灯、白天行车灯和刹车灯、仪表显示板背光照明、各种车内梳妆照明 … 等等。这种令人惊叹的增长速度不仅是因为 LED 具备高可靠性、低功耗以及更紧凑的外形尺寸，而且也因为 LED 能够用来实现创新设计，例如可转向前灯和防眩调光。此外，在汽车环境中，所有这些改进都必须优化，同时还要承受相对严苛的汽车电气及物理环境的考验。不用说，这些解决方案还必须非常扁平、占板面积非常紧凑，同时能够提高总体性价比。

尽管 LED用于白天行车灯、刹车灯、转向指示灯和内部照明已经有几年了，但是少数特定于前灯的应用只是不久前才出现，例如奥迪 A8 和 R8 以及雷克萨斯 LS600h。不过，在过去一年，几家汽车制造商已经在其最流行的车型中引入了 LED 前灯。2014 年，丰田为其最畅销的丰田卡罗拉引入了 LED 前灯，如图 1 所示。此外，丰田的其他几款车型也采用了 LED 前灯，本田、日产、保时捷和奥迪也在大多数即将上市的车型中引入了 LED 前灯。很多人估计，2014 年 LED 前灯市场规模将超过 30 亿美元。

图 1：2014 丰田卡罗拉 LED 前灯

汽车照明系统设计师面临的最大挑战之一是，怎样充分发挥最新一代 HB LED 的所有优势。HB LED 一般需要一个准确和高效率的 DC 电流源和一种调光方法。LED 驱动器 IC 必须设计为，能够在多种条件下满足这些要求。因此，电源转换解决方案必须效率非常高、功能非常可靠，同时必须非常紧凑和具有很高的性价比。可以说，就驱动 HB LED 而言，要求最严苛的应用之一就是汽车前灯应用，因为这类应用须承受严苛的汽车电气环境的考验，必须提供很大的功率 (一般情况下为 50W 至 75W)，必须能够放进热量和空间都受限的外罩中，与此同时还必须保持富有吸引力的成本结构。

汽车 LED 前灯

尺寸小、寿命极长、低功耗、强大的调光能力等优势是 HB LED 前灯得到广泛采用的催化剂。几年前，奥迪、戴姆勒、雷克萨斯等大多数汽车制造商都开始采用 LED 以设计非常与众不同的行车灯或前灯的“眉毛”，以此彰显其品牌的与众不同。在讴歌的宝石眼设计、保时捷的 4 象限设计以及无数新出现的设计中，LED 前灯设计都体现了类似的趋势。

将 LED 用于汽车前灯有几种积极影响。首先，这种前灯从不需要更换，因为其固态器件寿命超过 10 万小时 (11.5 年使用年限)，这超过了车辆的使用寿命。因此汽车制造商可以永久性地将 LED 嵌入到前灯设计中，而无需考虑更换问题。这使前灯的款式能够有很大的变化，因为 LED 照明系统不需要 HID 或卤素灯那样的深度或面积。在靠输入电功率提供光输出 (以流明为单位) 时，HB LED 的效率也比卤素灯高 (而且不久就将高于 HID)。这有两个方面的积极影响。首先，LED 照明系统从汽车总线消耗的电功率较低，这在电动型汽车和混合动力汽车中尤其重要，而同等重要的是，LED 照明系统减少了需要从外壳散出的热量，从而无需任何笨重、昂贵的散热装置。最后，使用 HB LED 阵列，并以电子方式改变其方向、对其调光，这样的 LED 照明系统设计允许在很多不同的行驶条件下优化照明。

设计参数

为了确保最佳性能和较长的工作寿命，LED 需要一种有效的驱动电路。这类驱动器 IC 必须提供准确的 DC 电流源，而且无论输入电源的变化范围有多宽，都要提供严格控制的 LED 电压调节。汽车电池总线中见到的极端电压范围为冷车发动 / 停-启情况下的 4.7V 至负载突降情况下的 60V。但是更常见的是，电池总线电压在通常情况下工作在 9V 至 16V 电压范围。由于很多这类新型 LED 前灯应用使用 4 至 8 个串联 HB LED，因此总的电压降为 12V 至 25V，而电池总线电压范围可能达到 4.7V 至 60V，所以需要降压-升压型拓扑给 LED 供电，因为输入电压可能高于、低于或等于所需 LED 串电压。其次，LED 驱动器必须提供一种调光方法，并提供多种保护功能，以防遭遇 LED 开路或短路问题。除了可在电气环境十分严苛的汽车电源总线可靠工作，LED 驱动器还必须具备高性价比和占用空间小的特点。

一种新型同步降压-升压型 HB LED 驱动器

幸运的是，已经有一种新的解决方案应对上述困境，那就是凌力尔特公司的 LT3791 LED 驱动器。LT3791 是一款同步降压-升压型 DC/DC LED 驱动器和电压控制器，可提供超过 100W 的 LED 功率。其 4.7V 至 60V 输入电压范围使该器件非常适合多种应用，包括汽车、卡车甚至航空电子设备的 HB LED 前灯。类似地，其输出电压可以在 0V 至 60V 范围内设定，从而使其能够驱动多种单串 LED。

图 2 所示为一个典型 50W 前灯应用。该应用运用单个电感器准确地调节 25V/2A LED 串，提供 50W LED 功率。这个电路提供 50:1 PWM 调光比，这很好地满足了防眩自动调光要求。输入和输出 (LED) 电流受到监视，同时提供故障保护，以承受并报告开路或短路 LED 情况。

图 2：具 50:1 调光比、效率达 98% 的 50W (25V、2A) 降压-升压型 LED 驱动器

其内部 4 开关降压-升压型控制器用高于、低于或等于输出电压的输入电压工作，从而非常适合汽车应用。降压、直通和升压工作模式之间的转换是无缝的，尽管电源电压变化范围很宽，也能提供良好稳定的输出。LT3791 的独特设计采用了 3 个控制环路，监视输入电流、LED 电流和输出电压，提供最佳性能和可靠性。

LT3791 采用 4 个外部开关 MOSFET，能够以高达 98% 的效率连续提供从 5W 直至超过 100W 的 LED 功率，参见图 3。在以常规方法供电的车辆中，高效率是很重要，因为可最大限度降低对散热措施的需求，实现占板面积非常紧凑的扁平解决方案。而在电动型汽车中，这种功率节省还延长了两次充电之间车辆可行驶的里程。

±6% 的 LED 电流准确度确保一个 LED 串中的每个 LED 都有恒定亮度，同时 ±2% 的输出电压准确度可用来提供几种 LED 保护功能，而且还使转换器能够作为恒定电压源工作。LT3791 可按照应用要求，运用模拟或 PWM 调光。此外，其开关频率可在 200kHz 至 700kHz 范围内设定，或同步至一个外部时钟。其他功能包括输出断接、输入和输出电流监视器、以及集成的故障保护。

图 3：图 2 中的 LED 效率

结论

人们对 LED 提供的高性能和高性价比有永不满足的需求，这种需求促使多种新车型迅速采用 LED 前灯。新型 HB LED 驱动器 IC满足了这种需求。这类新型 LED 驱动器必须提供恒定电流，无论输入电压或 LED 正向电压如何变化都保持一致的亮度，同时以高效率工作，提供范围非常宽的调光比，以及提供各种保护功能，以提高系统可靠性。当然，这类 LED 驱动器电路还必须提供占板面积非常紧凑、扁平和高热效率解决方案。凌力尔特公司不断重新定义其 LED 驱动器系列，以用 LT3791 等 HB LED 驱动器 IC 应对这些挑战。此外，凌力尔特已经开发了一个全面的大电流 LED 驱动器 IC 系列， 该系列专门针对汽车应用，包括前灯正向照明、LCD 背光照明等。在汽车照明系统不断需要更高性能的 LED 驱动器之情况下，设计师有了满足这种需要的创新性 IC 解决方案。