高亮度LED在汽車照明應(yīng)用中的若干關(guān)鍵問(wèn)題

毋庸置疑，采用高亮度LED照明將成為未來(lái)汽車的主要特征，這歸功于LED相對(duì)于傳統(tǒng)的白熾光照明方案所具有的許多基本優(yōu)勢(shì)。此外，采用LED照明也可帶動(dòng)汽車設(shè)計(jì)技術(shù)和設(shè)計(jì)風(fēng)格上的變化。然而，正像任何創(chuàng)新技術(shù)一樣，LED在被廣泛用于汽車照明之前，仍需要克服許多困難。

關(guān)鍵特性

1. 可靠性與使用壽命

LED的預(yù)期使用壽命為5萬(wàn)個(gè)小時(shí)，而鹵鎢燈為2萬(wàn)個(gè)小時(shí)，鎢白熾燈為3千個(gè)小時(shí)。相對(duì)于白熾燈，LED的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，不容易受振動(dòng)影響，使用過(guò)程中光輸出亮度也不會(huì)明顯下降。基于多個(gè)LED的照明方案還具備“冗余度”好處，即使一個(gè)LED出現(xiàn)故障，仍可以繼續(xù)使用照明裝置。正確使用LED(特別是正確控制LED的溫度)，可有效延長(zhǎng)LED的預(yù)期壽命。相反，如果溫度過(guò)高，LED很容易損壞。LED應(yīng)用在汽車照明上還牽涉許多法律定義問(wèn)題。大多數(shù)國(guó)家對(duì)剎車燈或頭燈故障——燈亮或熄滅有明確定義。但對(duì)采用多個(gè)LED的燈，很難準(zhǔn)確定義照明燈是否已經(jīng)損壞。制造商與立法機(jī)構(gòu)正在定義LED的使用方法。

2. 效率/每瓦流明

與標(biāo)準(zhǔn)的白熾燈相比，LED消耗每單位電能可以產(chǎn)生更多的光輸出。但與鹵素?zé)粝啾葧r(shí)，LED的實(shí)際光輸出的優(yōu)勢(shì)并不明顯。最新的LED具備出色的流明每瓦數(shù)值，但某些數(shù)值是在優(yōu)化條件下取得的，而通常不是在最高輸出條件下獲得的。一般而言，當(dāng)LED的電流增加時(shí)，光輸出量并未呈線性增加。因此，即使LED在0.5A電流下輸出x流明，它在1.0A電流下也不會(huì)輸出2x流明。

3. 響應(yīng)速度

以剎車燈和方向指示燈管為例，假設(shè)車輛時(shí)速為125公里/小時(shí)，即35米/秒時(shí)，白熾燈的熱啟動(dòng)時(shí)間約為250毫秒，而反應(yīng)迅速的LED可提早約8米距離發(fā)出剎車警告，從而有效避免汽車相撞。指示燈也是如此。

4. 方向性

另一個(gè)關(guān)鍵特性是LED的發(fā)光方式。與白熾燈不同，LED只透過(guò)一個(gè)表面發(fā)光，這對(duì)頭燈與航圖燈應(yīng)用有好處，但可能不適合車廂照明燈其它照明應(yīng)用(圖1)。

圖1：與白熾燈不同，LED發(fā)出光具有方向性。

控制LED的方法

1. 電流控制

LED的一個(gè)基本問(wèn)題是，LED是由電流控制的器件，其電壓降相對(duì)較低。最簡(jiǎn)單的方法是使用電阻限制LED的電流，但該方法并不適合采用額定電壓為12V或24V電池的系統(tǒng)，因?yàn)殡姵氐膶?shí)際電壓是從6V至18V或12V至36V。因此，如果需要保持亮度，就必須進(jìn)行恒流控制。

2. 電流的線性控制

線性控制指通過(guò)線性調(diào)節(jié)器保持通過(guò)LED的電流為常數(shù)。線性控制在某些情況下效率很低，例如，正向電壓為3.5V的單1A(3W)LED，需要調(diào)節(jié)器在保持1A電流的同時(shí)將的額定12V電源降至8.5V，這樣使用3W LED將浪費(fèi)8.5W的功率。線性電流控制是產(chǎn)生噪聲最少的技術(shù)，而且從EMC角度看，線性電流控制最安全。

3. 開(kāi)關(guān)式調(diào)節(jié)器

電感式開(kāi)關(guān)恒流技術(shù)雖然產(chǎn)生的電子噪聲較多，但它的效率更高。根據(jù)LED的使用數(shù)量，可以采用降壓或降/升壓調(diào)節(jié)器。

4. EMC問(wèn)題

必須盡量減少輻射與傳導(dǎo)噪聲，將噪聲控制在容許極限內(nèi)。雖然PWM方法的頻率固定，且相對(duì)較容易進(jìn)行濾波，但由于LED負(fù)載較為穩(wěn)定，如果采取適當(dāng)措施，磁滯控制器及PFM是合適的選擇。開(kāi)關(guān)式調(diào)節(jié)器的發(fā)展趨勢(shì)是頻率將更高，以減少電感/電容的體積。這對(duì)汽車應(yīng)用而言，這總是最佳的解決方案。將頻率保持在較低的水平有助于避免干擾問(wèn)題。

基頻的“抖動(dòng)”或“擴(kuò)展”技術(shù)確實(shí)有助于符合類似峰值EMC測(cè)試要求，但最佳的方法是不產(chǎn)生任何輻射，而任何開(kāi)關(guān)式調(diào)節(jié)器均難以實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)。

輻射熱、傳導(dǎo)熱與熱管理

使用高亮度LED的用戶(特別是汽車制造業(yè))要面臨的關(guān)鍵問(wèn)題與最大挑戰(zhàn)之一，是LED的自熱問(wèn)題。LED的每瓦流明已取得了很大改進(jìn)，但事實(shí)上LED的多數(shù)電能均轉(zhuǎn)化成傳導(dǎo)熱。LED能產(chǎn)生的適合車廂照明的輻射熱較少，但在寒冷氣候中，頭燈的輻射熱卻能有效地融化透鏡上的雪。因此，熱管理是可靠控制LED的關(guān)鍵。

熱管理主要指溫度增加時(shí)減少電流。使用高亮度LED的優(yōu)點(diǎn)是電流變化較大時(shí)，眼睛無(wú)法察覺(jué)到亮度變化。一般而言，電流下降25%，單個(gè)LED的亮度變化并不明顯。

但是，LED會(huì)隨溫度與電流的變化而改變顏色，這點(diǎn)是否會(huì)影響汽車照明應(yīng)用仍有待探討。LED的頻譜是否適用于照明，在一般夜視效果下是否會(huì)影響駕駛者的距離感，這些問(wèn)題可能更加重要。

采用PWM方法來(lái)減低亮度比，而非直流電控制，可得到更大的光暗比例，且色溫不會(huì)發(fā)生變化，因此用PWM方法減低亮度是較好的方法。但是，頻率的選擇也很重要。一般認(rèn)為頻率為200Hz比較好，因?yàn)槿搜鄄粫?huì)感覺(jué)200Hz光的閃爍，此外較低的頻率可確保處于低于開(kāi)關(guān)式調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)換頻率。但是，必須預(yù)見(jiàn)到頭燈存在頻閃效應(yīng)的潛在問(wèn)題。一種較為合適的方法是使用更高頻率來(lái)調(diào)節(jié)LED的亮度，從而避免“偏擺”效應(yīng)。此外，必須謹(jǐn)慎選擇電感器，避免汽車內(nèi)產(chǎn)生可聽(tīng)到的噪聲。

LED的溫度傳感也是需要解決的問(wèn)題。熱敏電阻器是廣泛使用的方法，但使用熱敏電阻器必須十分小心，溫度控制響應(yīng)應(yīng)設(shè)定為L(zhǎng)ED需要減少的電流所對(duì)應(yīng)的溫度上限。當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，簡(jiǎn)單的溫度控制可導(dǎo)致LED的電流增加。圖2給出了LED對(duì)環(huán)境溫度的典型響應(yīng)要求。

圖2：LED對(duì)環(huán)境溫度的典型響應(yīng)要求。

LED的應(yīng)用范圍

在汽車應(yīng)用中，LED主要被用來(lái)外部與內(nèi)部照明。外部照明設(shè)備涉及熱極限與EMC問(wèn)題，同時(shí)還有卸載負(fù)載測(cè)試的許多復(fù)雜標(biāo)準(zhǔn)，例如，電壓是40V、60V、80V，還是100V LED的驅(qū)動(dòng)電路必須符合汽車EMC規(guī)格的嚴(yán)格要求。對(duì)于通過(guò)高效、電感開(kāi)關(guān)式調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)的LED，符合上述要求有一定難度，所有預(yù)防措施將增加總體方案的成本。在外部照明應(yīng)用領(lǐng)域，頭燈、霧燈及指示燈是目標(biāo)應(yīng)用。

由于LED所具備的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛使用LED來(lái)營(yíng)造車內(nèi)舒適環(huán)境，比如儀表類照明燈、踏板照明燈、航圖燈、后霧燈、汽車后剎車與指示燈，而用于顯示汽車“娛樂(lè)信息”的平板顯示屏的混色背光照明及氣氛照明將進(jìn)一步增加LED的應(yīng)用。

Zetex的LED產(chǎn)品

用于簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)LED負(fù)載的BSP75器件，是具備ESD保護(hù)、過(guò)熱、負(fù)載驟降、過(guò)電流與過(guò)電壓保護(hù)的可靠的FET，適用于對(duì)電流高至1.2A的LED進(jìn)行開(kāi)關(guān)。

如果需要同時(shí)監(jiān)控電流(如顯示剎車LED燈簇的故障)，Zetex的電流監(jiān)測(cè)器ZXCT1081能適應(yīng)60V電壓瞬變和125℃工作溫度。針對(duì)汽車LED控制，Zetex提供一系列開(kāi)關(guān)式調(diào)節(jié)器，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)1A。ZXLD1350、ZXLD1360與ZXLD1362是磁滯降壓型轉(zhuǎn)換器，可以驅(qū)動(dòng)1W LED串和3W LED串。這些器件可確保用很少的元器件可靠地控制LED，并可以通過(guò)單一引腳，實(shí)現(xiàn)關(guān)閉、軟啟動(dòng)或PWM調(diào)光及溫度控制等功能。