汽车照明系统之汽车前灯设计

　　汽车照明系统设计师面临的最大挑战之一是如何最大限度地发挥最新一代高亮度LED的所有优势。因为高亮度LED一般需要准确、高效率的DC电流源，还需要调光，所以LED 驱动器IC必须设计成能在多种条件下满足这些要求。所以，电源解决方案必须是高效率、功能坚固和非常可靠的，同时还要非常紧凑并具有高成本效益。可以说，就驱动高亮度LED 而言，要求最苛刻的应用之一是汽车前灯应用，因为这类应用要经受苛刻的汽车电气环境的考验，必须提供大功率，一般在50W~75W之间，还必须能装进空间非常受限的外壳中，同时在满足所有这些要求的情况下，还要保持有吸引力的成本结构。

　　汽车 LED 前灯

　　高亮度LED前灯有众多优势，例如尺寸小、寿命极长、功耗低以及增强了调光功能，这些优势成为高亮度LED前灯得到广泛采用的催化剂。一些汽车制造商，包括奥迪、奔驰以及最近加入的雷克萨斯，都已经用LED设计了与众不同的行车灯，这些灯围绕在前灯周围，如果把前灯比作眼睛，那么这些行车灯就像眉毛一样，制造商这么做是为了突出品牌特色，让人们还没看清车是什么样子的时候，就知道开过来的是哪个品牌的车。从设计的角度来说，这些应用独具特色，而且与近光和远光前灯相比，这些应用面临的设计挑战也不同。

　　我们都知道，前灯的主要功能是，在夜间或天气条件不够理想的情况下(例如在雨、雪和雾天)提供前向照明。需要更高的照明度一直是前灯发展的主要驱动力。上世纪80年代，卤素灯是业界标准，这类灯凭借其具有的50W的电功率可提供大约1，500 lm的光输出，与其前几代产品相比，光输出提高了50%。这一光输出转换成功效 (每瓦光输出) 就是30 lm/W。上世界 90 年代中期，高强度放电 (HID) 氙灯成为主流，因为这类灯能提供高达80 lm/W的光输出，从而使制造商能提供更大的总体光输出。不过，氙灯也有缺点，如为了不造成迎面而来的车辆看不清路况，需要准确调节;工作寿命相对较短，仅为2，000小时;使用有毒的水银蒸汽;制造费用很高。随着高亮度 LED 的功效持续提高，这类LED已经成为前灯更希望使用的产品。5年前，已用在汽车中的高亮度LED提供50 lm/W功效，这还不足以用于前灯应用，然而现在的LED设计提供100 lm/W功效，而且估计用不了几年，就将超过150 lm/W的功效，从而甚至能超过最好的高强度放电灯。LED能提供大约同样的每瓦光输出量，而且还具有其他益处，例如长寿命、坚固性和环保设计，这些都使得用LED构成新一代前灯非常有吸引力。

　　在汽车前灯中使用LED有几项积极意义。首先，这些LED灯永远不需要更换，因为它们的可靠寿命长达 10万小时以上 (相当于11年半的使用年限)，甚至超过了汽车的寿命。因此汽车制造商可以将LED永久性地嵌入到前灯设计中，而无需为更换留出余地。这还使汽车款式能得到极大的改变，因为LED照明系统不需要高强度放电灯或卤素灯那么大的深度或面积。在靠输入电功率提供光输出 (以流明量度) 方面，高亮度LED灯还比卤素灯的效率高 (而且不久就将超过高强度放电灯)。这会产生两种积极影响。首先，LED灯从汽车总线吸取更少的电功率，在电动汽车和混合动力汽车中，这一点尤其重要。同样重要的是，LED灯降低了需要在照明系统中散出的热量，从而无需笨重、昂贵的散热器。最后，通过使用高亮度LED阵列以及对LED阵列进行电子控制或调光，LED前灯可以非常容易地设计成可为很多不同的行车条件优化照明。

　　设计参数

　　为了确保最佳性能和较长的工作寿命，LED需要有效的驱动电路。不管输入电压源的变化范围有多宽，这些驱动器IC都必须提供准确、高效率的DC电流源和准确的LED电压调节。其次，驱动器IC必须提供调光方法和多种保护功能，以防遇到LED开路或短路故障。除了能靠电气环境非常苛刻的汽车电源总线可靠工作，驱动器IC还必须具有高成本效益并有效利用空间。

　　汽车电子瞬态造成的挑战：停止/启动、冷车发动和负载突降情况

　　为了最大限度地提高燃油里程，同时尽量降低碳排放量，可选择的动力驱动技术在不断演变。无论这些新技术纳入了混合电动、清洁柴油还是更传统的内燃机设计，它们都有可能采用停止-启动电动机设计。这种设计在全世界几乎所有的混合动力汽车中已十分普遍，停止-启动电动机设计已经普遍存在，很多欧洲和亚洲的汽车制造商也一直在将这种设计纳入传统的汽油和柴油车辆中。美国福特汽车公司已宣布，将在很多面向美国市场的2012车型中，采用停止-启动系统。

　　就发动机而言，停止-启动系统的概念很容易理解，当车辆停止时，发动机关闭，然后在要求车辆再次开动时，发动机立即重新启动。这样一来，当汽车在行驶中因交通情况或红灯而暂停时，就不会消耗燃油，也不会排放碳。这种停止-启动设计可将燃油消耗量和碳排放量降低5% ~10%。不过，此类设计所面临的最大挑战是：怎样使整个起停状况不为驾驶者所察觉。为避免驾驶者觉察汽车的起停能力，存在着两大设计障碍：第一个是快速重启时间。有些制造商利用增强的启动器设计，将重启时间降至不到0.5 s，从而使重启真正感觉不到;第二个设计挑战是，在发动机关闭时，保持所有电子系统直接由电池供电，包括空调系统和照明系统，而且同时仍然保持足够的电池电量储备，以在加速时快速重启发动机。

　　为了纳入停止-启动功能，的确需要对动力传动系统的设计进行一些修改。过去的交流发电机也许还要用作增强的电动机起动器，以确保快速重启。另外，必须增加一个停止-启动电子控制单元 (ECU)，以控制发动机何时以及怎样启动和停止。当发动机/交流发电机关闭时，电池必须能给车辆的各种灯、环境控制系统以及其他电子系统供电。此外，当再次需要发动机工作时，电池必须能给启动器供电。这种极端的电池加载情况引入了另一个设计挑战，这一次是电气方面的挑战，因为重启发动机需要大量吸取电流，这又可能使电池电压暂时被拉低至5V。对LED驱动器的挑战是，当电池总线电压短暂下降至5V，然后返回标称的13.8V(这时充电器返回稳定状态)时，持续提供良好稳定的输出电压和LED电流。

　　当汽车发动机处于寒冷或冰冻温度一段时间后，会发生“冷车发动”情况，在这种情况下，机油变得极度黏滞，需要发动机启动器提供更大的扭矩，这又导致从电池吸取更大的电流。这么大的负载电流可能在点火时将电池/主总线电压拉低至不到5V，之后该电压一般返回到标称的13.8V。就发动机控制、行车安全和导航系统等应用而言，在发生冷车发动情况时，保持良好稳定的输出电压(通常为5V)是非常重要的，这样才能在车辆启动时，持续保持电源系统工作。

　　如果电池电缆在交流发电机对电池进行充电时意外断接，则将发生“负载突降”的情况。当电池电缆在汽车工作时出现松动或者电池电缆在汽车行驶时出现断裂，这种情况就有可能发生。电池电缆的这种突然断接有可能导致高达60V的瞬态电压尖峰，因为交流发电机试图给不存在的电池完全充电。交流发电机上的瞬态电压抑制器通常将总线电压箝位在30V ~34V之间，并吸收大部分浪涌电流。但是，交流发电机下游的DC/DC转换器和LED驱动器要承受高达36V的瞬态电压尖峰。在这类瞬态事件发生时，要求这些LED驱动器不仅不被损坏，还必须持续调节输出电压和LED电流。