低能耗LED提供更高效率照明

引言 　　LED在汽车应用中的普及率持续攀升，这得益于其长久的使用寿命以及可用于汽车车身造型和内部设计的灵活性。不管与氙气灯泡还是白炽灯泡相比，用于车前灯、昼间行驶灯和转向信号指示灯的LED照明在设计灵活性方面都要远胜一筹。这使得汽车前端的车身设计师能够完成一些此前绝无可能实现的设计方案。Audi公司的A系列汽车就很好地表现出了LED照明的这种设计灵活性：这些车辆的昼间行驶灯被安放在位于车前灯和转向信号灯下面的线型阵列中。如果您曾在后视镜中看到过上述的某款汽车，您就能够确切地了解我所描述的情况。 　　但是，车前灯本身恰恰曾经是LED在汽车环境中难以实现的应用目标。其主要原因在于LED及其关联的驱动器电路的热设计。传统的灯泡本质上就是一个“加热器”，并且在高温下工作，与之不同的是，LED及其驱动器电路需要把散热器作为其外壳的一部分加以整合，以便将热量从LED上移开。显然，LED驱动器的转换效率及其相关功率损失会对汽车前照灯配置中所使用的LED外壳的热设计产生重大的影响。由于高温运作环境对LED的光输出和工作寿命具有负面影响，因此上述的所有预防措施都是必不可少的。 　　1 LED和性能 　　高功率或高亮度LED的光输出已经超越了具有重要里程碑意义的100lm/瓦(lm/W)。事实上，有的制造商已声称在实验室里获得了200lm/W的LED光输出。因此很明显，就发光效能而言，LED已超过了白炽灯泡(标准60W灯泡的光输出为15lm/W)。或者，换句话说：就是用来自某个光源的光输出量(单位：流明)与产生该光输出量所消耗的功率量(单位：W)之比来表示光输出。即使如此，据预测，到2012年，光输出达150lm/W的LED在市面上将随处可见。另一个附加的好处是LED的寿命。视计算方式的不同，白光LED灯泡的寿命至少可以达到10，000小时，有的甚至声称高达50，000小时，而白炽灯泡的寿命则仅为1，200至1，500小时左右。此外，LED是“绿色”产品，原因是其不含任何危险材料。 　　LED照明的成本下降得非常快。在过去的12个月里，专用白光LED(某些已被LED灯泡所采用并占据了其大部分成本)的价格已经从几年前的约5美元降至1.00美元以下。LED行业的许多分析人士预测：在未来的12个月时间里，用LED灯泡替换白炽灯泡的价位将为消费者所接受。有些LED制造商声称他们已经设计出了可为LED灯泡供电的发光芯片，所产生的光线亮度与大多数私人住宅广泛使用的75W白炽灯泡相当。为了具备输出该光量的能力，此类LED芯片通常需要12W至15W的功率。 　　特别是就汽车而言，车前灯必需具有至少800流明的光输出量。Cree公司是一家LED制造商，它推出了其XLampXP-G系列LED，据称其流明密度是目前市面上照明类LED当中最高的。这些LED采用该公司的XP系列封装，可提供高达400流明的光输出量(在1A)和超过130lm/W的光输出(在350mA)。于是，鉴于LED车前灯将在节能方面为车主带来好处(与标准版本的车前灯相比，其效率通常要高出75%)，因此它的使用将降低汽车每年的油耗水平。 　　LED实际上能够节约多少燃油成本呢?美国密歇根大学交通运输研究所(Michigan’sTransportationResearchInstitute-UMTRI)。在2008年进行的一项研究中对此做了评估。在那次研究中，他们通过比较100%采用白炽灯和卤素灯照明光源的传统系统与照明效果相当、100%使用LED照明光源的新型系统，对客车外部照明的功耗情况进行了调查分析。结果表明：全LED系统的光能节省幅度达50%以上。这不仅节约了汽油动力车的燃油成本，而且还将使汽车的总体碳排放量每年降低1%至2%。 　　2 驱动一个25W的车前灯 　　如今，一个25W白光LED车前灯可以采用由18个串联LED组成的阵列来配置，使350mA的电流流过这些LED以产生所需的光输出。不过，如何高效和简单地驱动这样一种配置，这是设计师所面临的一个重大障碍。由凌力尔特公司近期推出的LT3956单片式LED驱动器是一种可行的解决方案。LT3956是一款DC/DC转换器，专为充当一个恒定电流和恒定电压调节器而设计。它非常适合于驱动大电流、高亮度LED(见图1)。  图1 效率达94%的25W白光LED车前灯驱动器。 　　该器件具有一个内部低端N沟道功率MOSFET，此MOSFET的额定规格针对84V/3.3A而拟订，并从一个内部已调7.15V电源来驱动。固定频率、电流模式架构在一个很宽的电源和输出电压范围内实现了稳定的操作。一个参考于地的电压反馈(FB)引脚用作多个LED保护功能电路的输入，而且还使转换器能够起一个恒定电压源的作用。一个频率调节引脚允许用户在100kHz至1MHz的范围内设置频率，旨在优化效率、性能或外部组件尺寸。 　　LT3956在LED串的高端检测输出电流。高端电流检测是用于驱动LED的最灵活方案，允许采用升压、降压模式或降压-升压模式配置。PWM输入提供了高达3000:1的LED调光比，而CTRL输入则提供了额外的模拟调光能力。 　　LT3956的转换效率可以达到约94%(取决于输入电压和工作频率)。这一点示于图2中给出的效率曲线。 图2 所示LT3956电路的效率与VIN的关系曲线。 　　这种高转换效率可为LED车前灯外壳实现一种更加简单明了的热设计方案，因为这款LED驱动器并不会对LED本身所产生的热量有显着的影响。在上面的例子中，LED驱动器的功率损失为1.5W，这些功率被作为热量[25W×(1-0.94)]而耗散掉。这具有额外的好处，就是同时还降低对空间和重量的要求。 　　3 结语 　　对于即将在汽车环境中使用的高功率LED驱动器来说，某些特性是其必须具备的。显然，它必须要能够运用一种同时满足输入电压范围以及所需的输出电压和电流要求的转换拓扑结构，给不同类型的LED配置提供足够的电流和电压。不过，它们还应该拥有以下特点：宽输入电压范围、宽输出电压范围、高效转换、严格调节的LED电流匹配、低噪声、恒定频率操作、独立的电流和调光控制、宽调光比范围、小巧紧凑的占板面积和极少的外部组件。 　　即使在具备以上性能特征的情况下，由LED驱动器驱动的LED还必须能够从尽可能低的功率等级来提供所需的光输出量(流明)，且不会导致热设计遭受重大的限制。幸运的是，对于车前灯设计师而言，他们已经同时拥有了高效能LED和高性能LED驱动器，从而能够实现以往一直被认为是互斥的(即：从低输入功率等级来提供高的光输出量)。