LED在汽車電子設計優(yōu)缺點及解決方法

LED是一種高效環(huán)保的新型半導體光源，有其它光源無法比擬的優(yōu)勢。在未來汽車照明應用中前景光明。LED 可以用串聯(lián)、并聯(lián)等不同的方式組合成LED 陣列，以滿足汽車照明強度的要求。針對LED 的發(fā)光特性，重點討論了LED 驅(qū)動的設計及特點，同時簡述了LED 目前存在的問題及解決方法。

1 汽車車燈作用及要求

目前，汽車日趨平民化，已成為主要交通工具，行車安全引起了社會廣泛的關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計，汽車在夜晚或自然光線不足的情況下行駛的里程占總行駛里程的25%，而在此間發(fā)生的交通事故占到總事故的40%，并且一半以上的傷亡事故發(fā)生在夜間。因此，車外照明燈及信號燈是汽車安全行駛的關(guān)鍵部件，必須滿足下列條件：

(1)汽車照明燈點亮無延遲，響應時間更快，給駕駛員更多的反應時間。

(2)照明亮度強，在夜間或自然光線不足的情況下提高駕駛員的視野，同時使車外信號燈的指示作用更強。

(3)高耐震，工作可靠性高，避免因照明故障引起的意外事故。

(4)節(jié)能，能夠有效減少廢氣的排放量，保護環(huán)境。

(5)基于汽車銷售競爭日益激烈，車燈設計要實用和美觀。

2 LED 成為汽車照明選材中的新星

2.1 LED 的工作原理

LED 是特殊的二極管，是一種通過摻雜等手段形成PN 結(jié)的半導體器件。當滿足二極管導通條件時，電流流過LED，以光和熱的形式釋放出能量。LED 是電流控制的電流型元件，其發(fā)光強度主要依據(jù)通過的電流大小，正向?qū)〞r，其壓降非常高，而且本身具有一定的波動范圍。

由于LED 沒有紅外線及紫外線的輻射，其消耗的能量除轉(zhuǎn)換為光能外，幾乎都是熱能，且只能以熱傳導的形式傳出，因此，LED 在工作時，結(jié)溫會逐漸升高。而LED 是具有負溫度系數(shù)的器件，流過LED 的電流會隨溫度升高而增大，這就形成了正反饋，造成結(jié)溫的進一步升高，如不加控制，就會燒毀LED。LED 的熱學參數(shù)與PN 結(jié)的結(jié)溫有很大關(guān)系，主波長與溫度的關(guān)系如下式：

mp(Tl) = m0(T0)+ 3Tg #0.1nm/°C

由上式可知，每當LED 結(jié)溫升高10℃時，主波長 ( 人眼能夠觀察到的) 就會向長波漂移1nm(1nm=10-9m)，導致LED 亮度下降，出現(xiàn)光衰。因此， 個別LED 過熱，就會造成LED 陣列發(fā)光的均勻性變差。

2.2 LED 顯著的照明優(yōu)勢

LED 被稱為新光源，原因在于LED 具備點光源與固態(tài)光源的特性，因此具有其它照明光源無法比擬的優(yōu)點。

(1)LED 壽命理論上可達10 萬小時， 實際壽命也可達到2 萬小時以上，比一般白炙燈泡的1 000 小時、日光燈具的1 萬小時更具優(yōu)勢，在汽車使用壽命期間一般無須更換。

(2)點亮無延遲，響應時間更快。LED 的啟動時間僅為幾十納秒，啟動時間較白熾燈泡大大縮短。

(3)在光線亮度高、自然光線可見度低的情況下，大大降低汽車事故發(fā)生率;基本上無輻射，屬于“綠色光源”。

(4)LED 占用體積小， 結(jié)構(gòu)簡單，高耐震，設計者可以隨意變換燈具模式，令汽車造型多樣化，滿足不同消費者需求。

(5)LED 光源受電壓變化的影響遠遠小于白熾燈泡，顯示了卓越的安全性和可靠性，同時消耗的能量較同光效的白熾燈減少80%，非常節(jié)能。

基于上述優(yōu)勢，LED 可以在汽車照明中廣泛應用，但單個LED 無法滿足汽車照明強度的要求，必須多個串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)成LED 陣列使用，如圖1 所示。

圖1 LED 組合成的照明光源

2.3 LED 驅(qū)動的設計及特點

LED 驅(qū)動方式可采用電阻限流、線性穩(wěn)壓器和開關(guān)型變換器3 類。電阻限流方案適用于效率低的應用場合，所以對效率要求極高，輸入電壓范圍寬的汽車照明上不采用此方法;線性穩(wěn)壓器適應于低電流或LED 正向壓降稍低于電源電壓的場合，但同樣存在效率和輸入電壓范圍小的問題;開關(guān)型變換器具有電路拓撲靈活、效率高和輸入電壓寬的特性。因此，綜合考慮工作效率、安裝尺寸、靜態(tài)電流、工作電壓、噪聲和輸出調(diào)節(jié)等因素后，驅(qū)動電路多采用開關(guān)型變換器。開關(guān)變換器拓撲結(jié)構(gòu)分為Buck、Boost 及Buck-Boos 等方式。目前來看，LED 應用在汽車照明上，其驅(qū)動電源必然是鉛酸蓄電池。

因為蓄電池的輸入電壓范圍會與正常的范圍有很大的出入，因此驅(qū)動電路一般用Buck-Boost 拓撲結(jié)構(gòu)滿足LED陣列對電壓要求。此電路拓撲結(jié)構(gòu)直流增益(輸出電壓與輸入電壓之比)與占空比D(一個開關(guān)周期內(nèi)，開通時間與周期的比值)有關(guān)。當電池電壓低于LED 所需電壓時，調(diào)節(jié)D > 0.5，使電路處于升壓狀態(tài);當電池電壓高于LED 所需電壓時，調(diào)節(jié)D 0.5，使電路處于降壓狀態(tài)。LED 是電流控制的電流型元件，亮度與流過的電流成正比。如果LED 不是恒流驅(qū)動，通過的電流波動時，即使電壓恒定也會造成LED 的亮度變化。為保證亮度穩(wěn)定可靠，LED 需要恒定的電流來驅(qū)動，而且還需要在任何情況下都能將紋波電流控制在可接受的水平。所以，LED 驅(qū)動電路的輸出必須是恒流輸出而非恒壓輸出。

可以設計LED 驅(qū)動電路原理圖如圖2 所示。

圖2 LED 驅(qū)動原理圖

圖2 可知，Buck-Boost 電路將蓄電池電能變換后對LED 陣列供電，采樣電路對流過LED 的電流采樣，將信號傳到控制電路?？刂齐娐贩治霾蓸有畔?，調(diào)節(jié)Buck-Boost 電路中開關(guān)管的占空比，保證通過LED 電流恒定;當電路出現(xiàn)異常時，通過控制保護電路切斷電源，保證LED 不受損害。一般情況下，LED 驅(qū)動電路必須滿足下列要求：

(1)升降壓功能。當輸入電壓或LED 本身壓降波動時，調(diào)節(jié)輸出電壓，滿足輸出電流恒定的要求，保證LED 發(fā)光穩(wěn)定可靠。

(2)高功率轉(zhuǎn)換效率。以降低驅(qū)動損耗，節(jié)省成本，同時減少蓄電池充電次數(shù)，延長電池使用壽命。

(3)亮度調(diào)節(jié)功能。周圍環(huán)境很暗時，信號燈往往不需最大電流驅(qū)動，此時可控制驅(qū)動電流而改變LED的亮度，進而降低LED 的耗電量。調(diào)節(jié)驅(qū)動電流常用的方法是利用PWM 信號控制。