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2019年12月13日 | LED 车头灯设计实例
2019-12-13
随着科学技术的发展，LED 技术也在不断发展，为我们的生活带来各种便利，为我们提供各种各样生活信息，造福着我们人类。LED 产品在很多应用上正逐步取代白炽光源，由于其节能效率非常高，已被视为未来的重点照明技术。据统计数字预计，高亮度 LED 市场的销售总额将会从 2006 年的 66 亿美元增加至 2011 年的 106 亿美元，平均每年增幅达 10.6%。相比传统的白炽灯技术，高亮度 LED 的功耗减少很多，其工作寿命也比白炽灯更长。同时，LED 产品更环保。
在过去的数 10 年里，LED 仅使用在汽车警示灯或类似的应用方面。然而，高亮度 LED 的面世使这些光源能够扩大到汽车的内部照明上，而且还包括方向灯、尾灯及刹车灯。最新的发展是利用高亮度白光 LED 作为汽车的白天行车头灯，并提供明暗灯两种功能。由于 LED 十分省电，维修率低且具备较高的设计灵活性，预计将有越来越多的汽车制造商转用 LED 技术提供各种头灯功能。
LED 汽车头灯系统的要求
为产生头灯所需的足够亮度，有必要使用多个 LED 灯。这些 LED 可以被安排成单一灯串或以 3 个~15 个为一组的多条灯串。为了安全起见，最好是将 LED 驱动器的输出电压限制于 60V 以下，而 LED 驱动器的输入电压范围最少应为 8V~16V。汽车 LED 头灯一般需要较大输入电压范围，以便在内燃机起动和负载突降期间提供头灯功能，具体电压取决于汽车制造商，一般为 4V~24V 甚至 36V。
图 1
这种应用中，可行的拓扑方法是升压、降压 / 升压及 SEPIC。
图 1 所示为三种头灯常用的 LED 驱动器拓扑。
图 1 最上方的电路为升压拓扑，这是最简单及最高效率的配置，但其缺点是不能为输出提供完全安全的短路保护。此外，其输出电压必须高于输入电压，并需视 LED 的安排而定，因此有可能形成限制。图 1 中间的电路为 SEPIC 拓扑。这种方法可提供短路保护及宽广的输入和输出电压范围，而且输出电压可高于或低于输入电压。然而 SEPIC 拓扑的缺点是其对功率组件的要求比升压及降压 / 升压的要高。
图 1 最下方的电路是建立在一个标准的低边升压控制器基础上的降压 / 升压浮动拓扑，它可以将负载的能量送返到输入。在这个特殊的配置中，一个高边电流传感放大器负责感测 LED 的电流。和传统的降压 / 升压拓扑一样，电感器电流相当于 LED 电流 /(1- 占空比)。但这种配置当遇到短路接地时不能为输出提供完全的短路保护。
典型的设计实例
对于汽车 LED 头灯来说，直至现在还未能确定哪一种功率转换拓扑才最适合它。对美国国国家半导体最近推出的一款高功率 LED 控制器 LM3421 来说，它能适用于所有拓扑。该控制器适合恒流升压、SEPIC、降压 / 升压及反激拓扑，而且还提供了各种不同拓扑的参考设计。例如，图 2 中的 LM3421 低边控制器是恒流 SEPIC 应用的实例，该电路具备高速的调光功能。
图 2
虽然市面上有很多其它的低边功率控制器，但 LM3421 是专为高亮度 LED 应用而设计，并且可分别为数字调光或仿真调光提供快速的数字调光功能及准确的高边电流感测。配合高边电流感测，LED 驱动器在驱动器与 LED 之间只需使用一条接线。接地回路方面，并不一定需要路由回到 LED 驱动器，而是可以通过车身进行接地。高开关频率让设计人员可使用较细小的外部功率级组件，而强大的 MOSFET 驱动器能力及低静态电流则促成了高效率的功率转换。
“预测性关断时间”控制模式应该算是 LM3421 解决方案的最大优点。与传统的 PWM 电流模式控制相比，这种模式在没有定时情况下，预测性关断时间控制在任何占空比时均不会出现电流模式的不稳定现象，同时它还允许不能在定时电流模式系统中(尤其是升压拓扑)实现的占空比及电压转换率。此外，这种控制也无需进行斜率补偿。针对那些需要更多功能要求的应用来说，LM3423 可以派上用场。该器件拥有一系列的额外功能，包括 LED 输出状态标记、故障标记、可编程的故障定时器，以及一个可选择调光输出驱动器极性的逻辑输入。
LED 车头灯已整装待发
第一辆纯 LED 头灯汽车已由一间德国车厂于 2008 年夏季进行投产，其后虽有不少制造商纷纷积极研发并准备生产，可是直到目前为止，仍有一些障碍使 LED 头灯未能破茧而出，这包括光度输出能力、高亮度 LED 的效率及驱动电路的发展。
不过，如今的高亮度 LED 的亮度已经一代比一代出色，一些优秀的功率转换电路使得在驱动 LED 方面获得极大的改进且更容易实现。基于这些发展，相信 LED 头灯将会越来越盛行。虽然 LED 在生活中处处可见，但是 LED 也还有一些不足需要我们的设计人员拥有更加专业的知识储备，这样才能设计出更加符合生活所需的产品。
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