引言與背景 ?

“神說，要有光，就有了光。神看光是好的，就把光和黑暗分開了?！蔽腋铱隙?，對《創(chuàng)世紀》中開頭這兩句話，我們大多數(shù)人都很熟悉，而且無論你信不信，事實依然是，我們這個世界確實有黑暗和光。不過光是什么??光從哪里來??它是怎么產(chǎn)生的??它未來會是什么樣??

這些問題都很好，但在本文中，我不想一一回答。我只想回顧一下光的簡史，從大約?140?億年前到今天。為什么從?140?億年前開始呢??因為我們知道，根據(jù)美國航空航天局威爾金森微波各向異性探測器?(Wilkinson?Microwave?Anisotropic?Probe?---?WMAP)?的探測，140?億年大約就是宇宙的年齡。該探測器用來以精細的準確度探測宇宙，檢測來自最遙遠的宇宙深處之微波，那里就是宇宙大爆炸本身形成的那個正在冷卻的火球。當然，我們自己的太陽系?(包括太陽和地球)?要比宇宙本身年輕得多，年齡僅約?45?億年。因此，地球上光的主要來源是太陽。后來，大約?40?億年前，月亮形成了。沒人準確知道月亮是怎樣形成的，盡管有?4?個主要的假設(shè)，即融合、捕獲、共同形成和大撞擊?(如需更多有關(guān)這些假設(shè)的信息，請見維基百科)。然而，不管月亮是怎樣形成的，通過將太陽的光子反射回地球表面，月亮在夜間為我們提供了一個額外的光源。

人們普遍認為，地球上出現(xiàn)人類?(直立人)?的時間大約在?100?萬年之前，而?100?萬年在宇宙的銀河中只不過是一眨眼的功夫!??顯然，太陽是這些早期人類的主要照明光源，因為直到很久以后，才有了人造照明光源。實際上，很多科學家認為，有無可辯駁的證據(jù)證明，大約?12.5?萬年以前，早期人類創(chuàng)造了可控制的火。也就是，人類造出了火把，而且火把成了第一種人造光源。然而，直到?1?萬?7?千年以前，史前人類才用燈來照明。這些燈通常是用貝殼、巖石或動物角做成的，里面裝入動物油或植物油作燃料，并使用一種纖維燈芯。又過了?1?萬年，這些燈的燃料才包括了橄欖、堅果、芝麻或魚油。在接下來的?5000?年中，這些燈使用的材料又經(jīng)過了很多次變化。然后，大約在公元前?500?年，畢達哥拉斯提出了光的“粒子”理論。該理論假設(shè)所有可見物體都會發(fā)出穩(wěn)定的粒子流，這些粒子轟擊我們的眼睛。他又進一步提出，“光由射線組成，這些射線像觸須一樣，射線從眼睛到物體以直線傳播，當這些射線觸碰到物體時，就獲得了視覺?！?/p>

直到公元?400?年，照明領(lǐng)域的下一次進步才出現(xiàn)，即發(fā)明了蠟燭。在接下來的?1400?年間，蠟燭成了主要的照明光源。然而，對現(xiàn)代照明具有重大意義的重要發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)在?1666?年，當時才?23?歲的艾薩克·牛頓?(Isaac?Newton)?做了他著名的棱鏡實驗。他注意到并記錄下來，陽光是白色光，其中包含光譜的所有顏色。類似地，1752?年，本杰明·富蘭克林?(Benjamin?Franklin)?用風箏做了他的著名實驗。他發(fā)明了避雷針，并解釋了正負電現(xiàn)象。本杰明·富蘭克林的工作具有重要意義，大約?100?年后發(fā)明白熾燈泡時，利用了他的發(fā)明和原理。接下來，到了?1792?年，威廉·默多克?(William?Murdock)?通過給煤加熱產(chǎn)生氣體，并用該氣體給他在英國康沃爾郡的家和辦公室照明。這是第一次將氣體作為燃料，產(chǎn)生了人造光。之后，在?19?世紀初，發(fā)現(xiàn)了天然氣以后，在家庭、辦公室、工廠和路燈中，采用氣體照明才成為主流。

1877?年，托馬斯·愛迪生?(Thomas?Edison)?對電力照明產(chǎn)生了興趣并做了實驗。一年以后，在朋友的幫助下，他創(chuàng)建了愛迪生電燈公司?(Edison?Electric?Light?Company)，公司的目標是：“擁有、制造和經(jīng)營用來通過電產(chǎn)生光、熱或動力的各種不同裝置，并提供這類裝置的使用許可?！北M管愛迪生沒有發(fā)明采用燈絲的電燈，但是他確實將理論轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N切實可行的形式，而且是首批成功地經(jīng)銷白熾燈的其中一要員。第一項涵蓋白熾燈的專利實際上是由亨利???伍德沃德?(Henry?Woodward)?和馬修???埃文斯?(Matthew?Evans)?于?1874?年提交的，大約比愛迪生開發(fā)電燈早?5?年。不過，也許德國化學家?Herman?Sprengel?才是首先發(fā)明真空燈泡的人，他于?1865?年發(fā)明了這種燈泡。

盡管?100?多年來白熾燈泡一直獨占鰲頭，也免不了遭遇新技術(shù)的威脅，另一種新技術(shù)即將顛覆白熾燈在照明領(lǐng)域的主導地位，這就是白光發(fā)光二極管?(即?LED)。

白光?LED?和行將消亡的白熾燈

LED?是一種半導體器件，當被施加正向偏置電壓時將發(fā)出非相干窄譜光，從而產(chǎn)生一種電致發(fā)光的現(xiàn)象。換句話說，固態(tài)磷光體在電場作用下，將電能直接轉(zhuǎn)換成了光。所發(fā)光的顏色取決于所用半導體材料的化學組成，可以是近紫外、可見或紅外光。

過去幾年，LED?技術(shù)已經(jīng)顯著增強了，在散熱、封裝和加工方面取得很大進步的同時，不斷涌現(xiàn)出更高亮度、更高效率、更長壽命和更低成本的?LED。與白熾燈泡不同，LED?沒有會燒壞的燈絲，而且?LED?工作時溫度往往較低。此外，白熾燈泡浪費了?95%?的電能，將其轉(zhuǎn)化為熱量消耗掉了。

大功率或高亮度?(HB)?LED?的光輸出已經(jīng)跨越了每瓦?100?流明?(即?100?lm/W)?的關(guān)鍵里程碑。實際上，有些制造商已經(jīng)宣布，在實驗室中實現(xiàn)了?200?lm/W?的光輸出。那么顯然，就發(fā)光效率而言，LED?已經(jīng)超過了白熾燈泡?(典型?60W?燈泡的光輸出為?15?lm/W)?；蛘?，發(fā)光效率還可以換一種方式來說，即以流明為單位衡量之光源的光輸出量與以瓦為單位衡量產(chǎn)生該光輸出所消耗的功率之比。情況還不止于此，預計在未來一年，光輸出為?150?lm/W?的?LED?也將在市場上穩(wěn)定供貨。LED?的另一個好處是壽命長。視計算方法的不同而有所不同，白光?LED?燈至少有?5?萬小時的壽命，有些甚至聲稱超過了?10?萬小時，而白熾燈的壽命僅約?1200?至?1500?小時。

高亮度?LED?燈的價格也在非?？焖俚叵陆?。幾年前，單個白光二極管?(幾個這樣的二極管組成一個?LED?燈，并占?LED?燈成本的大部分)?的價格約為?4?美元，現(xiàn)在已經(jīng)下降為不到?1?美元了。很多?LED?行業(yè)分析師都預測，在未來一年中，用?LED?燈替換白熾燈的費用將達到消費者可接受的程度。有些?LED?制造商宣布，已經(jīng)設(shè)計出可為?LED?燈供電的發(fā)光芯片，使?LED?燈產(chǎn)生的光輸出可與大多數(shù)家庭普遍使用的?75W?白熾燈相媲美。這類?LED?芯片要產(chǎn)生同樣的照明量，通常僅需要大約?9W?功率。

這些進步有著重要意義，因為美國能源部已經(jīng)表示，照明消耗美國所產(chǎn)電力的?22%。LED?照明的廣泛使用有可能將照明耗電量削減一半。要正確理解這一點，可以看以下數(shù)據(jù)，到?2027?年，LED?照明有可能減少的年度能源使用量相當于?5?億桶石油，伴隨而來的是二氧化碳排放量也降低了。

汽車也需要?LED

今年，高亮度?LED?的市場規(guī)模預計將達到?120?億美元，到?2015?年，預計將增長到?202?億美元，年復合增長率達到了?30.6%?(根據(jù)Strategies?Unlimited?的研究)。驅(qū)動這種顯著增長的關(guān)鍵應用領(lǐng)域之一是用于汽車中的?LED。應用包括從前燈、白天行車燈和剎車燈到儀表板顯示器背光照明、以及所有種類的車內(nèi)梳妝照明。不過，為了保持這種令人印象深刻的增長率，LED?不僅必須提供更高的可靠性、更低的功耗和更緊湊的外形尺寸，還必須在對比度和顏色準確度方面做出改進。此外，在汽車環(huán)境中，所有這些改進都必須進行優(yōu)化，同時還要承受相對苛刻的汽車電氣及物理環(huán)境的考驗。不言而喻，用在汽車中的解決方案必須提供非常扁平和緊湊的占板面積，同時還要提高總體成本效益。

不過，汽車照明領(lǐng)域這種令人印象深刻的增長潛力是由哪些因素支撐的呢??首先，LED?的發(fā)光效率是白熾燈泡的?10?倍，而且?guī)缀跏菬晒鉄?(包括冷陰極熒光燈)?的兩倍，?因此降低了提供給定的光輸出量?(以?lm/W?為單位衡量)?所需的電功率。隨著?LED?的進一步發(fā)展，其效用或從電源產(chǎn)生光輸出的能力只會繼續(xù)提高。其次，我們是一個關(guān)注環(huán)保的世界，而?LED?照明不需要處理、暴露和棄置于冷陰極熒光燈?(CCFL)?中常見的有毒水銀蒸氣。簡言之，LED?是“綠色”的。最后，白熾燈泡在使用約?1000?小時以后，常常需要更換，而熒光燈可以持續(xù)使用長達?1?萬小時。不過，與?LED?照明提供超過?10?萬小時的壽命相比，這些數(shù)字就相形見絀了。

在大多數(shù)應用中，這種更長的工作壽命使?LED?能永久性地嵌入到最終應用中。這對汽車儀表板、儀器以及信息娛樂系統(tǒng)顯示器的背光照明而言，顯然非常重要，不過，對于前燈和剎車燈來說，長工作壽命也成了“必須具備”的成份，因為在汽車工作壽命期內(nèi)，這些燈就不需要更換了。此外，LED?的外形比其他燈可小好幾個位量級，也更緊湊，而且通過紅、綠和藍光?LED?配置，可以提供無限多種顏色。

不過，汽車照明系統(tǒng)設(shè)計師面臨的最大障礙之一是，怎樣優(yōu)化最新一代?LED?具有的所有特色和益處。因為?LED?一般需要一個準確和高效率的電流源和一種調(diào)光方法，LED?驅(qū)動器?IC?必須設(shè)計成能在多種工作條件下滿足這些要求。另外，它們的電源解決方案必須非常高效、堅固和可靠，同時還必須非常緊湊和富有成本效益。可以說，就驅(qū)動?LED?而言，最苛刻的應用之一將是前燈組裝?(由遠光燈和近光燈、白天行車燈、霧燈和轉(zhuǎn)向信號指示燈組成)，因為這些燈處于嚴酷的汽車電氣環(huán)境中，同時必須適應范圍很寬的溫度變化。與此同時，這些燈還必須能放入非常受限的空間中，并具富吸引力的成本結(jié)構(gòu)。

面向汽車前燈應用的新型?LED?驅(qū)動器?IC

LT3791?是一款同步?4?開關(guān)降壓-升壓型?LED?驅(qū)動器和穩(wěn)壓器控制器，非常適用于驅(qū)動汽車前燈應用中的高亮度?LED。該控制器用高于、低于或等于輸出電壓的輸入電壓工作。該器件具有?4.5V?至?60V?的輸入范圍和?0V?至?60V?的輸出范圍，還能在工作模式之間無縫轉(zhuǎn)換。

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圖?1：LT3791?以高達?100W?的功率驅(qū)動一個?3A?LED?陣列

LED?POWER：LED?功率

一個以地為參考的基準電壓反饋引腳?(FB)?用作幾個?LED?保護功能的輸入，并使轉(zhuǎn)換器能作為恒定電壓源工作，如圖?1?原理圖所示。該器件提供故障保護，以承受并報告?LED?開路或短路情況，同時定時器允許?LT3791?連續(xù)運行、在發(fā)生故障時鎖斷或重啟。

LT3791?具有專有的電流模式拓撲和控制架構(gòu)，在降壓或升壓模式均使用電流檢測電阻器。被檢測的電感器電流由?VC?引腳上的電壓控制?(參見圖?2)，該引腳是反饋放大器?A11?和?A12?的輸出。

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圖?2：LT3791?方框圖

該?VC?引腳由?3?個輸入控制，一個來自輸出電流環(huán)路，另一個來自輸入電流環(huán)路，最后一個來自反饋環(huán)路。哪一個反饋環(huán)路電壓較高，哪一個就優(yōu)先，從而強制轉(zhuǎn)換器或者進入恒定電流模式，或者進入恒定電壓模式。

LT3791?設(shè)計為在兩種工作模式之間徹底轉(zhuǎn)換。再次參見圖?2?所示的方框圖，電流檢測放大器?A1?檢測?IVINP?和?IVINN?引腳之間的電壓，并向放大器?A11?提供預增益。當?IVINP?和?IVINN?之間的電壓達到?50mV?時，A1?的輸出就提供?IVINMON_INT，以使?A11?的輸出倒相，而且轉(zhuǎn)換器處于恒定電流模式。如果電流檢測電壓超過?50mV，那么?A1?的輸出就提高，從而引起?A11?的輸出降低，進而降低提供給輸出的電流。電流檢測電壓以這種方式調(diào)節(jié)到?50mV。

輸出電流放大器的工作過程與輸入電流放大器類似，但是具?100mV?電壓而不是?50mV。輸出電流檢測值是通過?CTRL?引腳可調(diào)的。強制?CTRL?達到低于?1.2V，就可強制?ISMON_INT?達到與?CTRL?相同的值，從而提供電流大小控制。輸出電流放大器提供軌至軌工作。類似地，如果?FB?引腳高于?1.2V，那么?A11?的輸出就降低，以減少電流值，并調(diào)節(jié)輸出。這是恒定電壓模式。

LT3791?提供監(jiān)視引腳?IVINMON?和?ISMON，這兩個引腳的電壓分別與輸入和輸出電流放大器上的電壓成正比。

結(jié)論

在任何類型環(huán)境?(包括汽車)?中使用?LED?照明的好處具有多項積極的意義。首先，這些?LED?燈從不需要更換，因為它們的可靠壽命超過了?10?萬小時，相當于?11.5?個使用年限。以汽車前燈為例，這允許汽車制造商永久性地將?LED?燈嵌入到車體中，而不需要為了更換而讓?LED?燈能拿出來?？钍揭灿锌赡苡泻艽蟮母淖儯驗?LED?照明系統(tǒng)不需要白熾燈泡那么大的深度或面積。最后，在提供光輸出?(以?lm/W?為單位衡量)?方面，LED?一般還比熒光燈效率高。這產(chǎn)生了兩個積極影響。首先，LED?燈消耗更低的汽車總線電功率，另外，同樣重要的是這降低了需要在前燈中散出的熱量，從而不再需要笨重、昂貴的散熱器。

最后，希望您喜歡這篇光的簡史，從近?140?億年前的宇宙大爆炸到今天?LED?開始占據(jù)主導地位，光的發(fā)展可謂多彩多姿?；仡欉^去，我們可以清晰地看到，人造光源的創(chuàng)新步伐已達到了以指數(shù)規(guī)律加快。顯然，LED?的未來一片光明，而白熾燈時代已經(jīng)顯露黯然之態(tài)。不過，我們?nèi)匀挥幸粋€揮之不去的問題：“照明領(lǐng)域的下一件大事會是什么?”敬請關(guān)注。