低能耗LED提供更高效率照明

引言

LED在汽車(chē)應(yīng)用中的普及率持續(xù)攀升，這得益于其長(zhǎng)久的使用壽命以及可用于汽車(chē)車(chē)身造型和內(nèi)部設(shè)計(jì)的靈活性。不管與氙氣燈泡還是白熾燈泡相比，用于車(chē)前燈、晝間行駛燈和轉(zhuǎn)向信號(hào)指示燈的LED照明在設(shè)計(jì)靈活性方面都要遠(yuǎn)勝一籌。這使得汽車(chē)前端的車(chē)身設(shè)計(jì)師能夠完成一些此前絕無(wú)可能實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案。Audi公司的A系列汽車(chē)就很好地表現(xiàn)出了LED照明的這種設(shè)計(jì)靈活性：這些車(chē)輛的晝間行駛燈被安放在位于車(chē)前燈和轉(zhuǎn)向信號(hào)燈下面的線型陣列中。如果您曾在后視鏡中看到過(guò)上述的某款汽車(chē)，您就能夠確切地了解我所描述的情況。

但是，車(chē)前燈本身恰恰曾經(jīng)是LED在汽車(chē)環(huán)境中難以實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用目標(biāo)。其主要原因在于LED及其關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)器電路的熱設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的燈泡本質(zhì)上就是一個(gè)“加熱器”，并且在高溫下工作，與之不同的是，LED及其驅(qū)動(dòng)器電路需要把散熱器作為其外殼的一部分加以整合，以便將熱量從LED上移開(kāi)。顯然，LED驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)換效率及其相關(guān)功率損失會(huì)對(duì)汽車(chē)前照燈配置中所使用的LED外殼的熱設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大的影響。由于高溫運(yùn)作環(huán)境對(duì)LED的光輸出和工作壽命具有負(fù)面影響，因此上述的所有預(yù)防措施都是必不可少的。

1 LED和性能

高功率或高亮度LED的光輸出已經(jīng)超越了具有重要里程碑意義的100lm/瓦(lm/W)。事實(shí)上，有的制造商已聲稱(chēng)在實(shí)驗(yàn)室里獲得了200lm/W的LED光輸出。因此很明顯，就發(fā)光效能而言，LED已超過(guò)了白熾燈泡(標(biāo)準(zhǔn)60W燈泡的光輸出為15lm/W)?；蛘撸瑩Q句話說(shuō)：就是用來(lái)自某個(gè)光源的光輸出量(單位：流明)與產(chǎn)生該光輸出量所消耗的功率量(單位：W)之比來(lái)表示光輸出。即使如此，據(jù)預(yù)測(cè)，到2012年，光輸出達(dá)150lm/W的LED在市面上將隨處可見(jiàn)。另一個(gè)附加的好處是LED的壽命。視計(jì)算方式的不同，白光LED燈泡的壽命至少可以達(dá)到10，000小時(shí)，有的甚至聲稱(chēng)高達(dá)50，000小時(shí)，而白熾燈泡的壽命則僅為1，200至1，500小時(shí)左右。此外，LED是“綠色”產(chǎn)品，原因是其不含任何危險(xiǎn)材料。

LED照明的成本下降得非?？?。在過(guò)去的12個(gè)月里，專(zhuān)用白光LED(某些已被LED燈泡所采用并占據(jù)了其大部分成本)的價(jià)格已經(jīng)從幾年前的約5美元降至1.00美元以下。LED行業(yè)的許多分析人士預(yù)測(cè)：在未來(lái)的12個(gè)月時(shí)間里，用LED燈泡替換白熾燈泡的價(jià)位將為消費(fèi)者所接受。有些LED制造商聲稱(chēng)他們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了可為L(zhǎng)ED燈泡供電的發(fā)光芯片，所產(chǎn)生的光線亮度與大多數(shù)私人住宅廣泛使用的75W白熾燈泡相當(dāng)。為了具備輸出該光量的能力，此類(lèi)LED芯片通常需要12W至15W的功率。

特別是就汽車(chē)而言，車(chē)前燈必需具有至少800流明的光輸出量。Cree公司是一家LED制造商，它推出了其XLampXP-G系列LED，據(jù)稱(chēng)其流明密度是目前市面上照明類(lèi)LED當(dāng)中最高的。這些LED采用該公司的XP系列封裝，可提供高達(dá)400流明的光輸出量(在1A)和超過(guò)130lm/W的光輸出(在350mA)。于是，鑒于LED車(chē)前燈將在節(jié)能方面為車(chē)主帶來(lái)好處(與標(biāo)準(zhǔn)版本的車(chē)前燈相比，其效率通常要高出75%)，因此它的使用將降低汽車(chē)每年的油耗水平。

LED實(shí)際上能夠節(jié)約多少燃油成本呢?美國(guó)密歇根大學(xué)交通運(yùn)輸研究所(Michigan’sTransportationResearchInstitute-UMTRI)。在2008年進(jìn)行的一項(xiàng)研究中對(duì)此做了評(píng)估。在那次研究中，他們通過(guò)比較100%采用白熾燈和鹵素?zé)粽彰鞴庠吹膫鹘y(tǒng)系統(tǒng)與照明效果相當(dāng)、100%使用LED照明光源的新型系統(tǒng)，對(duì)客車(chē)外部照明的功耗情況進(jìn)行了調(diào)查分析。結(jié)果表明：全LED系統(tǒng)的光能節(jié)省幅度達(dá)50%以上。這不僅節(jié)約了汽油動(dòng)力車(chē)的燃油成本，而且還將使汽車(chē)的總體碳排放量每年降低1%至2%。

2 驅(qū)動(dòng)一個(gè)25W的車(chē)前燈

如今，一個(gè)25W白光LED車(chē)前燈可以采用由18個(gè)串聯(lián)LED組成的陣列來(lái)配置，使350mA的電流流過(guò)這些LED以產(chǎn)生所需的光輸出。不過(guò)，如何高效和簡(jiǎn)單地驅(qū)動(dòng)這樣一種配置，這是設(shè)計(jì)師所面臨的一個(gè)重大障礙。由凌力爾特公司近期推出的LT3956單片式LED驅(qū)動(dòng)器是一種可行的解決方案。LT3956是一款DC/DC轉(zhuǎn)換器，專(zhuān)為充當(dāng)一個(gè)恒定電流和恒定電壓調(diào)節(jié)器而設(shè)計(jì)。它非常適合于驅(qū)動(dòng)大電流、高亮度LED(見(jiàn)圖1)。

該器件具有一個(gè)內(nèi)部低端N溝道功率MOSFET，此MOSFET的額定規(guī)格針對(duì)84V/3.3A而擬訂，并從一個(gè)內(nèi)部已調(diào)7.15V電源來(lái)驅(qū)動(dòng)。固定頻率、電流模式架構(gòu)在一個(gè)很寬的電源和輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的操作。一個(gè)參考于地的電壓反饋(FB)引腳用作多個(gè)LED保護(hù)功能電路的輸入，而且還使轉(zhuǎn)換器能夠起一個(gè)恒定電壓源的作用。一個(gè)頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶(hù)在100kHz至1MHz的范圍內(nèi)設(shè)置頻率，旨在優(yōu)化效率、性能或外部組件尺寸。

LT3956在LED串的高端檢測(cè)輸出電流。高端電流檢測(cè)是用于驅(qū)動(dòng)LED的最靈活方案，允許采用升壓、降壓模式或降壓-升壓模式配置。PWM輸入提供了高達(dá)3000:1的LED調(diào)光比，而CTRL輸入則提供了額外的模擬調(diào)光能力。

LT3956的轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到約94%(取決于輸入電壓和工作頻率)。這一點(diǎn)示于圖2中給出的效率曲線。

這種高轉(zhuǎn)換效率可為L(zhǎng)ED車(chē)前燈外殼實(shí)現(xiàn)一種更加簡(jiǎn)單明了的熱設(shè)計(jì)方案，因?yàn)檫@款LED驅(qū)動(dòng)器并不會(huì)對(duì)LED本身所產(chǎn)生的熱量有顯著的影響。在上面的例子中，LED驅(qū)動(dòng)器的功率損失為1.5W，這些功率被作為熱量[25W×(1-0.94)]而耗散掉。這具有額外的好處，就是同時(shí)還降低對(duì)空間和重量的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于即將在汽車(chē)環(huán)境中使用的高功率LED驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，某些特性是其必須具備的。顯然，它必須要能夠運(yùn)用一種同時(shí)滿(mǎn)足輸入電壓范圍以及所需的輸出電壓和電流要求的轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，給不同類(lèi)型的LED配置提供足夠的電流和電壓。不過(guò)，它們還應(yīng)該擁有以下特點(diǎn)：寬輸入電壓范圍、寬輸出電壓范圍、高效轉(zhuǎn)換、嚴(yán)格調(diào)節(jié)的LED電流匹配、低噪聲、恒定頻率操作、獨(dú)立的電流和調(diào)光控制、寬調(diào)光比范圍、小巧緊湊的占板面積和極少的外部組件。

即使在具備以上性能特征的情況下，由LED驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的LED還必須能夠從盡可能低的功率等級(jí)來(lái)提供所需的光輸出量(流明)，且不會(huì)導(dǎo)致熱設(shè)計(jì)遭受重大的限制。幸運(yùn)的是，對(duì)于車(chē)前燈設(shè)計(jì)師而言，他們已經(jīng)同時(shí)擁有了高效能LED和高性能LED驅(qū)動(dòng)器，從而能夠?qū)崿F(xiàn)以往一直被認(rèn)為是互斥的(即：從低輸入功率等級(jí)來(lái)提供高的光輸出量)。

圖3 產(chǎn)品圖