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LED汽车前大灯的优势、价高原因及系统设计分析

来源:LEDinside 时间:2017-09-08 14:25 [编辑:JamesWen] 【字体: 】 我来说两句

成本和复杂性阻碍了LED前照灯的采用,但是矩阵光束控制等功能将把技术推向前列。

尽管LED应用在汽车前照灯方面有一些闪亮的例子,但是其采用率仍然没有像固态照明(SSL)那样快速增长。汽车应用提出了一种独特的设计挑战,而且成本仍然相对较高。但是,LED将会给前大灯增加独特的功能。在本文中,我们将介绍一种可以产生具有强大功能的前照灯系统的设计。

通用照明和汽车照明之间,您可以做一下比较。我们都记得传统的钨丝灯泡。在2013年底,大多数美国家庭通常使用的40W和60W白炽灯泡被禁止在美国制造或进口;但是,即使这样,它们仍然可以购买到。还应该注意的是,在2012年,75W和100W灯泡已经被淘汰。

它们被淘汰的原因是,美国环境保护署(EPA)需要更好的电光输出功效。过渡的主要原因是由于住宅照明占电力消耗的大约14%(来源:美国能源信息管理局),有助于降低电力消耗。而固态LED灯只需要大约八分之一的电力就可以产生等量的流明输出,因此LED灯进入了我们现代的世界。

从白炽灯泡到固态电子灯的演变过程与现在汽车行业车辆照明发生的演变很类似。虽然红色LED灯已经在尾灯中使用了十多年,但是汽车内部和前向照明系统的变化才让LED的采用率取得了重大进展。例如,超过70%的内部指示灯和超过45%的仪表显示背光灯采用LED灯。与之相比,现在超过55%的日间行车灯(DRL)和大约5%的前灯采用了LED灯。具有讽刺意味的是,虽然前大灯(近光灯、远光灯、雾灯)代表着最大的机会,但它们却是渗透率最少的!主要原因之一是汽车制造商实施的成本太高,消费者不愿买单。

汽车前灯

在我们探讨照明灯采用率低的原因之前,很有必要知道为什么很多驾驶员甚至原始设备制造商都偏爱LED照明产品。这些包括但不限于以下内容:

性能和设计灵活性。LED由于其外形因素提供了设计灵活性,提供了广泛的调光功能。请记住,人眼对光输出的微小偏差非常敏感。

节能减排和较低的二氧化碳排放。LED不仅具有更好的功率效率,从而降低了为其供电所需的能量,而且还具有更长的生命周期。

成本。这可能看起来与直觉相反,但是在非前照灯应用中,持续的成本下降、耐用性提高和质量上乘使得LED成为终端客户价值的新标准。

规定。政府的很多规定明确了DRL和前照灯以及其他照明应用的要求,增加了LED照明需求。

在LED汽车外部照明应用中,奥迪通常被认为是领导者,任何人都不会惊讶。任何人在后视镜中看到奥迪著名的“眼眉”白天行车灯,都会很显眼。此外,奥迪首次在其2004年奥迪R8中首次使用LED前大灯。此外,奥迪很著名的是能够引导光束(图1可以看到光束转向的一个实例)的矩阵式车前灯。

图1. 该图示出了矩阵式LED前灯如何分散光。

那么为什么LED前照灯没有与其他形式的汽车LED照明那么流行呢?那么答案当然是成本。在前照灯中,LED的替代方案是白炽灯、卤素灯或高密度放电(HID)氙气灯。可比较的LED的成本可能比卤素前灯高出100%,比HID氙气灯高出1.5倍。

LED哪里适合?

一般来说,就其发光而言,LED前灯介于卤素灯和HID灯之间,但LED前灯提供了更多的聚焦射线,并且还可以控制以产生不同的形状。此外,由于其尺寸小巧,LED可以很好地操作,汽车制造商能够制造出各种形状和组件,完美匹配其型号。

虽然LED发光时不会发出热量,但是当电流通过时,在发射器的底部产生一定量的热量,因此对相邻的组件和连接电缆造成潜在的风险。因此,LED前照灯需要冷却系统,如散热器或风扇,以防止其熔化。此外,这些冷却系统位于发动机舱中,对于一些其他系统保持合适的温度,发动机舱是一个不太凉爽的区域。这也是为什么LED头灯在车辆中难以设计和实现的另一个原因,因此比HID灯更昂贵。

LED也可能不是下一代车前灯的唯一选择。美国贸易新闻中最近的一篇文章称,奥迪在其高性能R8中推出一款可选的激光远光灯。该系统非常优秀,不会把光射到前面行驶的车辆上,因此远光灯可以保持打开并自我调节,即使前面有8辆汽车也行。与LED高光束相比,奥迪的激光聚光灯可以沿着道路(500英尺)投射远两倍距离的光束,从而使驾驶员看的距离更远。

IC促进LED的采用

现在我们来解决驱动LED的挑战。白炽灯产生光输出,前提是电流通过其灯丝;而LED则不一样,LED需要专门的集成电路(IC)来驱动(图2)。

图2. LT3956 IC可以驱动一系列宽调光范围的LED灯串。

今天,LED驱动器IC必须具备的一个关键性能特征是能够对LED进行适当的调光。由于LED以恒定电流驱动,其直流电流水平与LED亮度成比例,为了通过控制LED电流,改变LED亮度,有两种调光方法。

第一种方法是模拟调光,通过降低恒定LED电流电平,成比例地减小LED直流电流水平。降低LED电流可能会导致LED颜色的变化或LED电流控制不准确。第二种方法是数字或脉宽调制(PWM)调光。PWM调光以100Hz及以上的频率开启和关闭LED,这是人眼不能察觉的。PWM调光占空比与LED亮度成比例,而接通时的LED电流保持与LED驱动器IC设置的水平相同,在高调光比期间保持恒定的LED颜色。在一些应用中,这种PWM调光方法可以使用3000:1的比例。

让我们更详细地了解一下典型车头灯电路中的一个专用的LED驱动器IC。新型LT3965具有80V输入和输出能力,可实现一款恒流恒压转换器。该拓扑结构使其能够驱动大电流LED(图3)。它具有一个内部低边N沟道功率MOSFET,额定值为84V、3.3A,由一个内部稳压的7.15V电源驱动。固定频率、电流模式架构可以在宽范围的电源和输出电压下稳定工作。以地为基准的电压FB引脚作为多个LED保护功能的输入,也可以使转换器产生恒定电压源。频率调节引脚可让用户将频率从100 kHz调节至1 MHz,使效率、性能或外部组件尺寸得到优化。

图3显示的是I2C 8-开关矩阵调光LED驱动器IC。

LT3956感测LED串高压侧的输出电流(通常称为高压侧电流检测)。这是驱动LED的最灵活方案,可支持升压、降压或降压-升压模式配置。

尽管目前LED前灯的普及率较低,但是性能的进步对于汽车制造商来说太过于诱人,原因包括提高驾驶员的安全性、灵活的车身造型、节能和纯正的外观。我们都知道一辆汽车的外观很重要,车好看,我们就想要买。当您开车时,请留心矩阵照明,因为当您观看后视镜时,您将会看到矩阵式照明及LED前灯的使用大幅增长。(编译:LED网 James)

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