高亮度LED在汽車照明應用中的關鍵問題

　毋庸置疑，采用高亮度LED照明將成為未來汽車的主要特征，這歸功于LED相對于傳統的白熾光照明方案所具有的許多基本優勢。此外，采用LED照明也可帶動汽車設計技術和設計風格上的變化。然而，正像任何創新技術一樣，LED在被廣泛用于汽車照明之前，仍需要克服許多困難。

　　關鍵特性

　　1. 可靠性與使用壽命

　　LED的預期使用壽命為5萬個小時，而鹵鎢燈為2萬個小時，鎢白熾燈為3千個小時。相對于白熾燈，LED的結構堅固，不容易受振動影響，使用過程中光輸出亮度也不會明顯下降。基于多個LED的照明方案還具備“冗余度”好處，即使一個LED出現故障，仍可以繼續使用照明裝置。正確使用LED (特別是正確控制LED的溫度)，可有效延長LED的預期壽命。相反，如果溫度過高，LED很容易損壞。LED應用在汽車照明上還牽涉許多法律定義問題。大多數國家對剎車燈或頭燈故障——燈亮或熄滅有明確定義。但對采用多個LED的燈，很難準確定義照明燈是否已經損壞。制造商與立法機構正在定義LED的使用方法。

　　2. 效率/每瓦流明

　　與標準的白熾燈相比，LED消耗每單位電能可以產生更多的光輸出。但與鹵素燈相比時，LED的實際光輸出的優勢并不明顯。最新的LED具備出色的流明每瓦數值，但某些數值是在優化條件下取得的，而通常不是在最高輸出條件下獲得的。一般而言，當LED的電流增加時，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電流下也不會輸出2x流明。

　　3. 響應速度

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

　　4. 方向性

　　另一個關鍵特性是LED的發光方式。與白熾燈不同，LED只透過一個表面發光，這對頭燈與航圖燈應用有好處，但可能不適合車廂照明燈其它照明應用(圖1)。

圖1：與白熾燈不同，LED發出光具有方向性。

　　控制LED的方法

　　1. 電流控制

　　LED的一個基本問題是，LED是由電流控制的器件，其電壓降相對較低。最簡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，因為電池的實際電壓是從6V至18V或12V至36V。因此，如果需要保持亮度，就必須進行恒流控制。

　　2. 電流的線性控制

　　線性控制指通過線性調節器保持通過LED的電流為常數。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，需要調節器在保持1A電流的同時將的額定12V電源降至8.5V，這樣使用3W LED將浪費8.5W的功率。線性電流控制是產生噪聲最少的技術，而且從EMC角度看，線性電流控制最安全。

　　3. 開關式調節器

　　電感式開關恒流技術雖然產生的電子噪聲較多，但它的效率更高。根據LED的使用數量，可以采用降壓或降/升壓調節器。

　　4. EMC問題

　　必須盡量減少輻射與傳導噪聲，將噪聲控制在容許極限內。雖然PWM方法的頻率固定，且相對較容易進行濾波，但由于LED負載較為穩定，如果采取適當措施，磁滯控制器及PFM是合適的選擇。開關式調節器的發展趨勢是頻率將更高，以減少電感/電容的體積。這對汽車應用而言，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題。

　　基頻的“抖動”或“擴展”技術確實有助于符合類似峰值EMC測試要求，但最佳的方法是不產生任何輻射，而任何開關式調節器均難以實現這點。

　　輻射熱、傳導熱與熱管理

　　使用高亮度LED的用戶(特別是汽車制造業)要面臨的關鍵問題與最大挑戰之一，是LED的自熱問題。LED的每瓦流明已取得了很大改進，但事實上LED的多數電能均轉化成傳導熱。LED能產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的關鍵。

　　熱管理主要指溫度增加時減少電流。使用高亮度LED的優點是電流變化較大時，眼睛無法察覺到亮度變化。一般而言，電流下降25%，單個LED的亮度變化并不明顯。

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

　　采用PWM方法來減低亮度比，而非直流電控制，可得到更大的光暗比例，且色溫不會發生變化，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。一般認為頻率為200Hz比較好，因為人眼不會感覺200Hz光的閃爍，此外較低的頻率可確保處于低于開關式調節器的轉換頻率。但是，必須預見到頭燈存在頻閃效應的潛在問題。一種較為合適的方法是使用更高頻率來調節LED的亮度，從而避免“偏擺”效應。此外，必須謹慎選擇電感器，避免汽車內產生可聽到的噪聲。

　　LED的溫度傳感也是需要解決的問題。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，溫度控制響應應設定為LED需要減少的電流所對應的溫度上限。當環境溫度降低時，簡單的溫度控制可導致LED的電流增加。圖2給出了LED對環境溫度的典型響應要求。

圖2：LED對環境溫度的典型響應要求。

　　LED的應用范圍

　　在汽車應用中，LED主要被用來外部與內部照明。外部照明設備涉及熱極限與EMC問題，同時還有卸載負載測試的許多復雜標準，例如，電壓是 40V、60V、80V，還是100V LED的驅動電路必須符合汽車EMC規格的嚴格要求。對于通過高效、電感開關式調節器驅動的LED，符合上述要求有一定難度，所有預防措施將增加總體方案的成本。在外部照明應用領域，頭燈、霧燈及指示燈是目標應用。

　　由于LED所具備的優點，可廣泛使用LED來營造車內舒適環境，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“娛樂信息”的平板顯示屏的混色背光照明及氣氛照明將進一步增加LED的應用。

　　Zetex的LED產品

　　用于簡單開關LED負載的BSP75器件，是具備ESD保護、過熱、負載驟降、過電流與過電壓保護的可靠的FET，適用于對電流高至1.2A的LED進行開關。

　　如果需要同時監控電流(如顯示剎車LED燈簇的故障)，Zetex的電流監測器ZXCT1081能適應60V電壓瞬變和125℃工作溫度。針對汽車LED控制，Zetex提供一系列開關式調節器，驅動電流可達1A。ZXLD1350、ZXLD1360與ZXLD1362是磁滯降壓型轉換器，可以驅動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，并可以通過單一引腳，實現關閉、軟啟動或PWM調光及溫度控制等功能。