廣泛應(yīng)用于未來(lái)一代汽車(chē)的高亮LED照明方案

毋庸置疑，高亮 LED 將成為未來(lái)一代汽車(chē)的主要特征。這是由于 LED 相對(duì)于傳統(tǒng)的白熾光照明方案，具備許多重要優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，采用 LED 也可帶動(dòng)技術(shù)上，甚至汽車(chē)設(shè)計(jì)風(fēng)格上的變化。但是，正如任何革新技術(shù)，LED 在廣泛運(yùn)用于汽車(chē)照明前，仍有許多困難需要克服。

可靠性與持久性

LED 的相對(duì)預(yù)期壽命為 5 萬(wàn)小時(shí)，而鹵素鎢燈為 2 萬(wàn)小時(shí)，鹵素白熾燈為 3 千小時(shí)。相對(duì)于白熾燈，LED 的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)更不容易被振動(dòng)影響，使用過(guò)程中光輸出透亮度也不會(huì)明顯下降。采用多 LED 照明方案，具備“冗余零件”的附帶優(yōu)點(diǎn)，即使一盞 LED 出現(xiàn)故障，照明裝置仍可繼續(xù)運(yùn)行。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。相反使用溫度過(guò)高，LED 將很容易損壞。 應(yīng)用在汽車(chē)照明上，牽涉許多法律定義問(wèn)題。多數(shù)國(guó)家已明確定義剎車(chē)燈或頭燈故障—燈亮著或熄滅。對(duì)于多 LED 照明燈，很難準(zhǔn)確定義照明燈是否已經(jīng)損壞。生產(chǎn)商與立法機(jī)構(gòu)正在定義 LED 的使用方法。

圖1 LED燈的方向

功效/每瓦流明

與標(biāo)準(zhǔn)白熾燈泡相比，LED 的每單位電能具備較高的光輸出。但是，與鹵素?zé)粝啾葧r(shí)，實(shí)際光輸出的優(yōu)勢(shì)并不明顯。最新型的 LED 具備出色的每瓦流明數(shù)值，但某些數(shù)值是在優(yōu)化條件下取得，且通常并非在高的輸出條件下得出。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電量時(shí)產(chǎn)生 X 流明，在 1.0A電量時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生 2 X 流明。

圖2 Incandescent白織燈

響應(yīng)速度

例如，對(duì)于剎車(chē)與方向指示燈管，車(chē)輛時(shí)速為 125 公里，即 35 米/秒時(shí)，白熾燈泡的熱啟動(dòng)時(shí)間約為 250 毫秒。具備即時(shí)反應(yīng)的LED 可提早約 8 米距離發(fā)出剎車(chē)警告，從而有效避免汽車(chē)相撞。指示燈也是如此。

方向性

LED的發(fā)光方式，是呈單點(diǎn)的特性。與白熾燈不同，LED只透過(guò)單表面發(fā)光。這比較適合頭燈與航圖燈使用，但對(duì)于其他照明應(yīng)用(如車(chē)廂照明)使用LED將可能出現(xiàn)問(wèn)題。

控制 LED 的方法

電流控制

LED 是具備相對(duì)較低電壓降的電流控制裝置，這是需要解決的主要問(wèn)題。最簡(jiǎn)單的方法是使用電阻器，限制 LED 的電流。但該方法并不適用于額定 12V或 24V電池系統(tǒng)，因?yàn)閷?shí)際電壓是從6V至 18V 或 12V 至 36V。因此，如果需要保持照明度，必須進(jìn)行恒流控制。

電流線性控制

線性控制指透過(guò)線性恒流器，保持 LED 的電流穩(wěn)定。線性控制在某些情況下效率較低，例如，具備 3.5 V正向電壓的單1A (3W) LED，需要穩(wěn)流器將 1A 的額定 12V 電源降低 8.5V，使用 3W LED 將浪費(fèi) 8.5W 的功率!線性電流控制是噪音最低的電子技術(shù)，且從 EMC角度看，線性電流控制是最安全的電流控制方法。

開(kāi)關(guān)式穩(wěn)流器

電感式開(kāi)關(guān)恒流技術(shù)雖然產(chǎn)生較高的電子噪音，但卻是更高效率的解決方案，根據(jù) LED 的使用數(shù)量，可以采用降壓或降壓/升壓技術(shù)。

LED在汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)

EMC 問(wèn)題

必須盡量減少輻射與傳導(dǎo)噪音，將噪音控制在容許極限內(nèi)。PWM (脈寬調(diào)制)技術(shù)提供固定頻率，并相對(duì)較容易進(jìn)行過(guò)濾。但是，LED 負(fù)載較為穩(wěn)定，因此，如果采取適當(dāng)措施，則滯環(huán)(“bang bang”)控制器及PFM(脈沖頻率調(diào)制)是合適的選擇。有趨勢(shì)將開(kāi)關(guān)式恒流器的頻率提升，以減少電感器/電容器的體積，對(duì)于汽車(chē)應(yīng)用，這并不是最佳的解決方案。將頻率保持于較低水平，有助于避免干擾問(wèn)題。

基礎(chǔ)頻率的“抖動(dòng)”，或“擴(kuò)展頻譜”技術(shù)，確實(shí)有助于符合準(zhǔn)峰值 EMC 測(cè)試。但是，最佳的方法是不產(chǎn)生任何輻射，而任何開(kāi)關(guān)式恒流器均難于達(dá)到此要求。

熱輻射、熱傳導(dǎo)與熱量管理

使用高亮 LED 的用戶(特別是汽車(chē)制造業(yè))，所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題與最大難題之一，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)是 LED 的多數(shù)電能均被轉(zhuǎn)化為傳導(dǎo)熱。LED 具備輻射熱較低的優(yōu)點(diǎn)，適合用于車(chē)廂照明。相反，在寒冷氣候中，頭燈的輻射熱卻可有效融化透鏡上的雪。因此，熱量管理是有效控制 LED 的關(guān)鍵。

熱量控制主要指溫度增加時(shí)減少電流。使用高亮 LED 的優(yōu)點(diǎn)，是電流變化較大時(shí)，眼睛無(wú)法察覺(jué)到亮度的變化。一般來(lái)說(shuō)，電流下降 25% 時(shí)，單 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特征，這點(diǎn)是否會(huì)影響汽車(chē)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)題可能更為重要。

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，所以 PWM 減低亮度是較好方法。但是，頻率的選擇也很重要。一般認(rèn)為 200Hz 是不錯(cuò)的選擇，因?yàn)?200Hz 超出了人眼的閃動(dòng)感覺(jué)。同時(shí)，較低的頻率可確保處于開(kāi)關(guān)式恒流器的轉(zhuǎn)換頻率之下。但是，必須預(yù)見(jiàn)到頭燈存在頻閃效應(yīng)的潛在問(wèn)題。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)。同時(shí)，必須謹(jǐn)慎選擇電感器，避免汽車(chē)內(nèi)產(chǎn)生聲頻噪音。

溫度感測(cè)

LED 的溫度感測(cè)也是需要解決的問(wèn)題，廣泛采用的方法是熱敏電阻器。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 LED 需要電流減少溫度的上限響應(yīng)。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3 LED的典型響應(yīng)要求

LED 的使用范圍

LED 主要應(yīng)用于兩個(gè)領(lǐng)域：外部與內(nèi)部照明。

外部設(shè)備涉及熱量極限與大量 EMC 問(wèn)題。同時(shí)還有突卸負(fù)荷測(cè)試的許多復(fù)雜標(biāo)準(zhǔn)。驅(qū)動(dòng)LED 必須符合汽車(chē) EMC 規(guī)格的嚴(yán)格要求。對(duì)于通過(guò)高效、電感開(kāi)關(guān)式恒流器驅(qū)動(dòng)的 LED，符合上述要求將有一定難度，所有預(yù)防措施將增加總體方案的成本，在此類應(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)，營(yíng)造車(chē)內(nèi)舒適環(huán)境時(shí)可廣泛使用 LED。儀表組照明、踏板照明燈、航圖燈、后霧燈、汽車(chē)后部的剎車(chē)與指示燈，用于顯示汽車(chē)“娛樂(lè)信息”的平面屏幕顯示的混色背光照明及氣氛照明，無(wú)疑將增加 LED 的應(yīng)用。

Zetex 的 LED 產(chǎn)品

用于簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān) LED 負(fù)荷的 BSP75 裝置，是“堅(jiān)固耐用”，并具備 ESD額定規(guī)格及過(guò)溫過(guò)電流與過(guò)電壓保護(hù)裝置的FET。該裝置適用于引擎室內(nèi)開(kāi)關(guān)達(dá)至 1.2A 的 LED。

如果需要同時(shí)監(jiān)控電流(如顯示一系列剎車(chē) LED 照明裝置故障)，那么Zetex的電流監(jiān)測(cè)器ZXCT1081 將適合用于 125oC 及 60V 浪涌電壓。

對(duì)于車(chē)內(nèi) LED 控制，Zetex 生產(chǎn)的一系列開(kāi)關(guān)式恒流器， 驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)1A。ZXLD1350，1360 與 1362 是一系列降壓變流器，可驅(qū)動(dòng)串連的 1W 及 3W LED。此類裝置采用簡(jiǎn)單方法，可確保 LED 控制方法的可靠性，并降低零件數(shù)，同時(shí)透過(guò)一支多功能腳，實(shí)現(xiàn)關(guān)閉、軟啟動(dòng) ，DC或PWM 調(diào)光及溫度控制等功能。