車用LED照明技術及現(xiàn)狀分析

　　摘要： 隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對汽車節(jié)能減排及安全性能的要求越來越高，汽車照明系統(tǒng)的節(jié)能與安全問題已成為該領域研究的熱點。作為第四代車用光源，LED 有很多優(yōu)于其他傳統(tǒng)光源的特點。為此分析了車用LED 照明的可行性和先進性，介紹了其典型的驅動電路，并著重研究了LED 以及AFS 在汽車前照燈上應用現(xiàn)狀。介紹了車用LED 照明面臨的問題及應對措施，并對其未來發(fā)展進行了展望。

　　隨著全球經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高， 汽車在日常生活中的使用越來越多， 因此汽車節(jié)能減排及行車安全的要求日益提高。汽車照明系統(tǒng)是保障汽車安全行駛的關鍵部件， 光源又是汽車照明系統(tǒng)的關鍵。發(fā)光二極管（LED）作為第四代車用光源具有壽命長、能耗低、體積小、響應快、單色性好等諸多優(yōu)點， 順應了未來汽車的安全、節(jié)能、緊湊、時尚的發(fā)展趨勢。相信隨著汽車工業(yè)的成熟以及LED 芯片、封裝、散熱等技術突飛猛進的發(fā)展，LED 在汽車照明系統(tǒng)中的應用會越來越廣， 規(guī)模會越來越大。

　　1 車用LED 照明的可行性和先進性

　　在汽車上使用照明光源大約開始于20 世紀初。最先使用的是煤油燈和乙炔燈，1910 年開始使用電光源，先后經歷了白熾燈、鹵鎢燈及高強度放電式氣體燈HID（Intensity Discharge Lamp）， 自1985 年開始進入了LED車用燈時代。同時LED 燈應用于自適應前照系統(tǒng)AFS（Adaptive Front Lighting System）的技術隨之出現(xiàn)。

　　目前，LED 已被眾多汽車廠商加以利用制造出各種車燈款式。寶馬、福特、本田、豐田、奔馳、奧迪等著名品牌車為了提高各自的總體競爭力， 紛紛推出配有各式各樣LED 車燈的新款轎車以吸引顧客。LED 具有很多其他光源所不具備的優(yōu)點：（1） 壽命長、抗震性好。LED 的使用壽命理論上可達5 萬小時， 實際壽命也可達2 萬小時（ 普通的鹵素燈泡僅為150 ～500 小時左右） ， 一般都要超過汽車本身的壽命。另外，LED 的基本結構中沒有易損可動部件， 故抗震性能非常好。（2） 節(jié)能環(huán)保。LED在低電壓小電流的條件下就能夠獲得足夠亮度， 其耗電量僅為相同亮度白熾燈的10%～20%；LED 光源中不含危害人體健康的汞， 生產過程和廢棄物不會造成環(huán)境污染。（3） 響應速度快。與白熾燈相比，LED 燈的響應時間已經達到了幾十納秒， 這樣， 當采用LED 作為汽車尾燈時， 可以使后續(xù)汽車司機更早反應， 以減少交通事故的發(fā)生。（4） 體積小。小巧的LED 可使汽車風格的設計更加自由、多樣化， 從而使車型更加時尚； 與傳統(tǒng)光源相比，LED 信號燈系統(tǒng)的安裝深度可以減少80 mm， 這一點對于汽車造型和內部零件布置具有重要意義。

　　目前汽車產業(yè)在全球經濟中仍然是支柱產業(yè)， 并處在飛速發(fā)展的關鍵時期， 其必定會帶動車用燈具的發(fā)展， 為LED 在汽車上的應用提供廣闊的市場空間。

　　2 車用LED 照明的驅動電路

　　LED 屬于電流控制型半導體器件， 圖1 是LED 的伏安特性曲線。由圖1 可知， 此曲線比較陡， 在正向導通之前LED 幾乎無電流流過； 當正向電壓超過開啟電壓時，電流就急劇上升， 發(fā)光亮度L 與正向電流IF近似成正比：L=KIF， 其中K 為比例系數， 故可以通過控制LED 的IF來控制其發(fā)光亮度。因此， 為了保證其亮度的一致性， 通常采用恒流源驅動電路。

　　汽車電池工作電壓范圍為9 V～16 V， 通常情況下為12 V ， 但是當汽車冷啟動時蓄電池的電壓可跌落到4 V， 而當蓄電池缺損由發(fā)電機直接供電時， 此電壓可達到36 V 的高壓。因此， 對于車用LED 燈具而言， 要可靠地恒流驅動LED 串， 驅動控制器必須具備精確的電壓和電流調節(jié)、保護電路和調光功能。因此， 設計一種穩(wěn)壓性能良好而又恒流輸出的驅動電路十分必要。

目前車用LED 驅動器一般采用兩種方法控制正向電流。（1） 采用LED 的V-I 曲線確定產生預期正向電流所需要向LED 施加的電壓。其缺點為：LED 正向電壓的任何變化都會導致LED 電流的變化， 其中的鎮(zhèn)流電阻的壓降和功耗會浪費功率和降低電池使用壽命。（2） 利用恒流源來驅動LED。因為此方法需要將LED 并聯(lián)在電路中， 而驅動并聯(lián)LED 需要在每個LED 串中放置一個鎮(zhèn)流電阻， 這會導致效率降低和電流失配。因此， 這兩種方法都不能充分體現(xiàn)LED 應有的優(yōu)越性。為了克服現(xiàn)有車用LED 驅動器的缺點， 出現(xiàn)了車用LED 陣列的高效智能驅動方法。該方法采用了半橋式DC-DC 變換技術、全波整流技術、光電耦合技術等， 確保了整個驅動電路的工作效率； 提出了基于嵌入式系統(tǒng)的智能控制方案， 此方案采用智能PWM 穩(wěn)流控制和調光控制， 具有負載開路/短路保護和過流過壓保護功能。圖2 為LED陣列智能驅動實驗電路。

　1 W 大功率白光LED 的市場價格約是白熾燈的十幾倍到幾十倍不等， 故LED 芯片還有很大的降價空間， 其主要途徑為： ①發(fā)展大芯片大電流?，F(xiàn)在的芯片一般在0.5 mm~1.5 mm 之間， 芯片小， 電流難以加大， 這是LED向單顆大功率發(fā)展的障礙。如果在不降低光效的前提下把芯片做大以便通過更大的電流， 大幅提高單顆LED的功率， 這樣燈具所用的LED 數量將明顯減少， 有助于燈具成本的下降。②研發(fā)新型襯底材料?，F(xiàn)在國內已經啟動了價格比較便宜的Si 襯底材料的研究， 希望能代替價格昂貴的藍寶石或SiC。除價格便宜外，Si 還可以制作出比藍寶石或SiC 襯底尺寸更大的襯底， 以提高MOCVD 的利用率， 從而提高管芯產率[ 18]。此外， 由于Si的硬度比藍寶石和SiC 低， 在加工方面也可以節(jié)省成本。據國外某知名公司的估計， 使用硅襯底制作藍光GaN LED 的制造成本將比藍寶石和SiC 襯底低90%。③繼續(xù)延長LED 的壽命。理論上，LED 的壽命已經超過汽車使用壽命， 但在實際汽車環(huán)境應用中，LED 使用壽命還有待進一步提高。如果LED 實際使用壽命能達到整車的壽命， 則在汽車壽命期內無需更換光源， 免去了這方面的維修費用， 就會更加經濟。

　　就整個車用LED 照明系統(tǒng)而言， 必須降低LED 驅動方案的系統(tǒng)級成本， 以提高該項技術的市場競爭力。

　　降低方案成本的途徑之一是盡可能減少驅動器的元器件數量， 同時這也有利于提高系統(tǒng)可靠性， 因為PCB 上的每個元件都可能是系統(tǒng)的一個失效點。

　　（2） 散熱問題

　　通常高功率LED 輸入功率約20%轉換成光能， 剩下的80%均轉換為熱能， 這比傳統(tǒng)燈源高很多。如果這部分熱能無法導出， 將會使LED 界面溫度過高， 進而影響產品生命周期、發(fā)光效率及穩(wěn)定性， 由此整個汽車照明系統(tǒng)就會受到嚴重影響[19]。目前改善車用LED 燈具散熱的主要途徑：①LED 自身的改進。首先， 改進封裝結構。傳統(tǒng)直插式LED 封裝結構熱阻高達250℃/W～300℃/W， 而新的封裝結構采用低電阻率、高導熱性能的材料粘結芯片， 在芯片下部加銅或鋁質熱沉， 并采用半包封結構， 大大提高了LED 的散熱能力[ 20-21]。其次， 改進LED 的制作材料， 采用超薄、高導熱、高絕緣陶瓷薄片作基底， 提高散熱效果； 開發(fā)量子轉換效率高、能承受高溫的熒光粉，提高允許的最大結點溫度， 增大允許的散熱設計溫差，以降低散熱設計的難度。②散熱裝置的改進。主要有： 考慮采用合適的散熱形式， 如熱管、風扇、水冷等， 要保證將熱量迅速地散發(fā)出去， 同時散熱裝置能夠穩(wěn)定地工作[ 22 -23]； 考慮散熱片的結構形狀尺寸， 要保證足夠的散熱面積， 同時散熱效果要好； 考慮電路板的設計格式， 可將印制電路板設計為上下兩層， 下層專用于信號發(fā)生電路及驅動電路， 上層為LED 點陣電路， 這樣能夠有效地避免因為LED 的熱量傳遞到驅動芯片而使其損壞。

　　（3） 光效問題

　　提升LED 光效是車用LED 技術發(fā)展的關鍵， 是車用LED 產業(yè)化的出發(fā)點和原動力。從封裝技術上來說，LED 的封裝應該盡量減少光線在其內部的全反射， 增加襯底基板反射率， 從而使光線能夠盡量多地透射出來，增加LED 的發(fā)光效能。今年2 月，Cree 公司已經宣布其實驗室成果LED 光效已經達到2 081 m/W， 相信這不是極限， 還會有更高的提升空間， 但需要有新的技術突破。

　?。?） 電磁干擾問題

　　汽車環(huán)境下同樣面臨電磁干擾問題EMI （ElectroMagnetic Interference） 。車載電子產品對噪聲很敏感， 尤其是導航系統(tǒng)、無線電路和AM 無線電波段接收機。為了最大限度地降低發(fā)生噪聲干擾的可能性， 有些LED驅動器IC 中采用了恒定頻率開關拓撲結構。另外， 用戶還可在200 kHz~2 MHz 的范圍內設置開關頻率， 以使開關噪聲遠離關鍵頻段（如AM 無線電波段）。

　　5 車用LED 照明市場展望

　　LED 在汽車照明系統(tǒng)中的應用雖然剛剛起步， 但隨著半導體照明技術和汽車工業(yè)的飛速發(fā)展， 車用LED燈具的總體效率以及性價比將會得到很大的提高， 應用規(guī)模將會逐漸擴大， 并最終占據整個汽車車燈市場。

　　據調查， 目前全球車內應用的LED 年銷售額大約在5 億到6 億歐元， 在汽車內部， 如汽車儀表盤、車內收音機、開關等已經100%采用LED， 并且這一趨勢正在加速從車內應用向車外應用。此外， 近期歐盟委員會宣布， 從2011 年起， 歐盟所有新生產轎車必須配置“ 白天駕駛自動照明系統(tǒng)” 。與此同時， 歐盟委員會已經批準奧迪和豐田將LED 作為照明車燈在汽車上使用。由此可見， 車用LED 燈具在全球范圍內具有極大的市場潛力。

　　車用LED 照明技術也得到我國政府的大力支持。

　　2010 年1 月， 全國半導體照明電子行業(yè)標準發(fā)布及宣貫大會在廣東江門市發(fā)布了LED 行業(yè)第一批國家標準，這標志著我國LED 產業(yè)發(fā)展開始進入標準化時代[ 24]。

　　復旦大學教授、半導體物理專家方志烈說，2009 年我國LED 應用產品產值已經超過600 億元， 全行業(yè)進入利潤自主創(chuàng)新、實現(xiàn)跨越式發(fā)展的重大歷史機遇，2015 年產業(yè)規(guī)模有望達到5 000 億元[ 25]。因此在我國LED 將面臨巨大的發(fā)展機遇， 同樣車用LED 照明技術也會得到高速發(fā)展， 科研、生產和商家對此都會給與高度關注。

　　車用LED 燈具以其卓越的可靠性、環(huán)保性、節(jié)能性和時尚性， 為汽車車燈的升級和變革注入了新生力量。

　　隨著產品成本的降低、生產技術的完善以及資金規(guī)模的擴大， 車用LED 照明技術的發(fā)展必將對汽車的行駛和安全提供更有力的保障， 汽車燈具的LED 化必將成為汽車照明系統(tǒng)發(fā)展史上的轉折點。