汽车前照灯的未来

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该篇文章的第一部分对汽车前端的照明系统的发展做了一个简单的介绍，解释了从传统的白炽灯灯源到HID（氙气灯）到发光二级管灯源的发展历程。

正如我们在第一部分中讨论的那样，非白炽灯解决方案需要一些电力电子设备来控制灯光输出。从长远角度而言，该文章对车前灯向着一个完全发光二级管（LED）两级电子设计的发展方向做出了预测。通过这一革新，下一代车前灯系统能够将车前端所有必要的照明功能包含在内，包括：日行灯、远光灯、近光灯、转向灯、夜行灯和转向信号灯。

下图中的二级转换器（一个升压级后跟随着多个独立的降压级）在有着最优良的功能的同时，也同时具有最好的灵活性和可伸缩性。尽管相对于白炽灯或者HID而言，很容易就能显现出LED前灯的各种优点，但是一个LED驱动器拓扑结构与上述两种灯源的拓扑结构差别并不明显。为了更好的理解二级设计的优点，必须先要对单级方案有一个很好的了解。

一般来说，由于二级结构有两层电力处理层，一个二级拓扑结构比其对应的一级组件有更好的性能。第一级拓扑结构的目的在于通过衰减输入端的线性干扰来为第二级提供一个稳定的输入。这样第二级拓扑结构就有一个稳定得多的输入，且通常带有显著的能量存储功能，进而提供了一个可控的输出 -- 在这种情况，就有电流流入到LED中。采用二级转换器的这种方法，允许每一级有单独的控制环并集中于自身的调节，从而产生一个更加强劲、性能更加优良的解决方案。至于缺点，很明显在多数情况下是在成本和规模方面。尽管功能非常依赖于操作点，并且必须根据在不同的具体分析的基础上进行评估，但是这样就使得工作效率变得更低。

单级拓扑结构

那么现在什么样的单级拓扑结构对于设计师们而言是必不可少的呢？毕竟它们是任何设计的基础，有一些基础的设计要求最终限制了拓扑结构的选择。这种选择依赖于需要的操作点，包括输入电压范围、输出电压范围、要调控的输出电流、调光方法和错误处理能力。

如左图所示，在系统最低输入电压大于最大输出电压的情况下，使用一个降压稳压器是非常有必要的。由于降压拓扑结构的高电阻输出，与一个理想的电流源如出一辙，这一种构造对驱动LED灯来说，是非常理想的。由于直接连接到开关转换器上的电感，输出电流是连续的，如下图所示。实际上在没有输出电容的情况下，就可以为电感提供足够大的电流来有效削弱开关脉冲。与模拟调光方法相比较，由于LED灯中最小限度的色移这一优点，最小化的输出电容促进了高分辨率脉宽调变（PWM）光调节，这在汽车构造系统中是必须的。与其他拓扑结构相比，降压转换器的效率也是非常高的，能够减少机械部件的发热。单级降压拓扑结构的缺点是输入电流的不连续性，如下图所示。当场效应晶体管（MOSFET）处于关闭状态时，输入端的电容需要存储能量。对比与一个有连续输入电流的解决方案而言，这就使得传导式电磁兼容性（EMC）更难以实现。

在最大输入电压小于最小输出电压的情况下，人们更倾向于使用上图所示的增压拓扑结构。像降压拓扑结构一样，它也有着很高的效率。然而，由于它不需要有连续的输出电流，因此需要在输出端有一个能量存储电容。根据输出电容器的大小，这就在不能程度上限制了可能使用的PWM光调节的分辨率。为了对分辨率加以限制，在设计的时候可以用一个MOSFET与LED串联，以此在进行光调节的时候摆脱这一束缚。然而，这就使得在降低效率的同时，增大了投入成本和规格。

由于直接将输入端连接到增压电感器上，如下图所示，增压拓扑结构的优点在于输入电流是连续的。这就降低了EMC兼容需要的输入过滤的复杂性。

不幸的是，由于有时候需要增压，有时候有需要降压，多数汽车系统使用的拓扑结构都介于上述两种结构之间。在这种情况下，就需要一些型号的降压-升压转换器。基本的降压-升压拓扑结构有一个反向输出，这就使得这种转换实现起来很困难，因此在输出时作为输入参考的情况下，一个浮动的降压-升压拓扑结构就更为常见了，如上图所示。自然而然地，降压-升压拓扑结构在输出端和输入端都有不连续的电流存在，如下图所示。正如我们以前提到的，这在这个系统里面并不能算是一个优点。此外，与单独的升压转换器或者降压转换器比较而言，开关处的峰值电压应力就会更大，这就使得各组件的成本升高，有时候规格也要加大。最后，与单独带有升压转换器或者降压转换器的系统相比，带有降压-升压系统的效率会比较低。

另外一点就是浮动的降压-升压转化器需要额外的电路系统对在输入电压上的PWM驱动信号进行电平移动。

为了解决这些问题，有几种可以缓解这些问题的降压-升压转换器可供选择，但是需要增加额外的组件。前面图片中的单端初级电感转换器（SEPIC）使用了两个电感器或者一个耦合电感器和一个额外的电容，以此来构建一个可以提供连续的输入电流和不连续输出电流的降压-升压拓扑结构，如下图所以。使用SEPIC的优点是在允许降压-增加操作的同时进行升压。另一个优点就是在输入和输出间提供电容隔离。这一配置就使得可能会毁坏一个升压转换器和一些降压-升压操作的紧缩的输出环境可以存在。由于SEPIC是一个四命令控制系统（两个电感器），所以主要问题在于动力学系统比其他系统更难以控制。好的PWM光调节依赖于运行良好的动力学系统，但偶尔SEPIC也能是一个问题。

另一个让人感兴趣的非隔离的降压-升压拓扑结构是本文第一页中图中的库克（Cuk）转换器。该转换器除了输出二极管和电感器是在相反的位置外，和SEPIC几乎是完全相同的。这样的配置就构建了一个反向的LED载荷，根据现有的控制集成电路板，目前还不是一个很理想的选择。然而，如上图所示它能产生连续的输出电流和不连续的输入电流，鉴于我们前面提到的各种优点这是非常理想的。和SEPIN系统一样，动力学系统仍是一个难以解决的问题，是否需要动力学系统，要根据性能指标而定。一般来说，SEPIC和Cuk比浮动降压-升压拓扑结构成本高，但是相对于标准的拓扑结构而言，二者又具有着很明显的优势。需要注意的一点是，所有的降压-升压方法在设计上都可以有着完全相似的系统效率。

纵观这些单极拓扑结构，我们能很快的找出二级拓扑结构的各种优点。例如，二级设计有降压-升压能力，由于第一级能将电压升高到需要的电压并能一直保证二级处于降压状态。而且，升压和降压拓扑结构都能更好的操作，比任何一个降压-升压配置有这更高的效率。当然，系统的输入和输出电流都是连续的（对于EMC和光调节性能是最理想的），而且降压转换器能很容易的处理任何错误情况。最后，二级系统提供一个好的多的可伸缩性。

进一步说，由于性能升级或许并不会比对一个低成本设计需求更有价值，素以并不是每一个设计都会需要实现二级应用。然而，很多制造商似乎更希望向着二级解决方案发展，来影响平台研发和经济规模。最后，它有助于降低高端车前灯系统的价格，并使得下一代车前灯在未来可以应用到更多的汽车上。