针对汽车头灯应用研发节能高效的LED功率转换器技术

近年来，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。 　　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。 　　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。