高亮度LED在汽车照明应用中的关键问题

　　毋庸置疑，采用高亮度LED照明将成为未来汽车的主要特征，这归功于LED相对于传统的白炽光照明方案所具有的许多基本优势。此外，采用LED照明也可带动汽车设计技术和设计风格上的变化。然而，正像任何创新技术一样，LED在被广泛用于汽车照明之前，仍需要克服许多困难。
   　　关键特性
   　　1. 可靠性与使用寿命
   　　LED的预期使用寿命为5万个小时，而卤钨灯为2万个小时，钨白炽灯为3千个小时。相对于白炽灯，LED的结构坚固，不容易受振动影响，使用过程中光输出亮度也不会明显下降。基于多个LED的照明方案还具备“冗余度”好处，即使一个LED出现故障，仍可以继续使用照明装置。正确使用LED (特别是正确控制LED的温度)，可有效延长LED的预期寿命。相反，如果温度过高，LED很容易损坏。LED应用在汽车照明上还牵涉许多法律定义问题。大多数国家对刹车灯或头灯故障--灯亮或熄灭有明确定义。但对采用多个LED的灯，很难准确定义照明灯是否已经损坏。制造商与立法机构正在定义LED的使用方法。
   　　2. 效率/每瓦流明
   　　与标准的白炽灯相比，LED消耗每单位电能可以产生更多的光输出。但与卤素灯相比时，LED的实际光输出的优势并不明显。最新的LED具备出色的流明每瓦数值，但某些数值是在优化条件下取得的，而通常不是在最高输出条件下获得的。一般而言，当LED的电流增加时，光输出量并未呈线性增加。因此，即使LED在0.5A电流下输出x流明，它在1.0A电流下也不会输出2x流明。
   　　3. 响应速度
   　　以刹车灯和方向指示灯管为例，假设车辆时速为125公里/小时，即35米/秒时，白炽灯的热启动时间约为250毫秒，而反应迅速的LED可提早约8米距离发出刹车警告，从而有效避免汽车相撞。指示灯也是如此。
   　　4. 方向性
   　　另一个关键特性是LED的发光方式。与白炽灯不同，LED只透过一个表面发光，这对头灯与航图灯应用有好处，但可能不适合车厢照明灯其它照明应用(图1)。
   
图1：与白炽灯不同，LED发出光具有方向性。
   　　控制LED的方法
   　　1. 电流控制
   　　LED的一个基本问题是，LED是由电流控制的器件，其电压降相对较低。最简单的方法是使用电阻限制LED的电流，但该方法并不适合采用额定电压为12V或24V电池的系统，因为电池的实际电压是从6V至18V或12V至36V。因此，如果需要保持亮度，就必须进行恒流控制。
   　　2. 电流的线性控制
   　　线性控制指通过线性调节器保持通过LED的电流为常数。线性控制在某些情况下效率很低，例如，正向电压为3.5V的单1A(3W)LED，需要调节器在保持1A电流的同时将的额定12V电源降至8.5V，这样使用3W LED将浪费8.5W的功率。线性电流控制是产生噪声最少的技术，而且从EMC角度看，线性电流控制最安全。
   　　3. 开关式调节器
   　　电感式开关恒流技术虽然产生的电子噪声较多，但它的效率更高。根据LED的使用数量，可以采用降压或降/升压调节器。
   　　4. EMC问题
   　　必须尽量减少辐射与传导噪声，将噪声控制在容许极限内。虽然PWM方法的频率固定，且相对较容易进行滤波，但由于LED负载较为稳定，如果采取适当措施，磁滞控制器及PFM是合适的选择。开关式调节器的发展趋势是频率将更高，以减少电感/电容的体积。这对汽车应用而言，这总是最佳的解决方案。将频率保持在较低的水平有助于避免干扰问题。
   　　基频的“抖动”或“扩展”技术确实有助于符合类似峰值EMC测试要求，但最佳的方法是不产生任何辐射，而任何开关式调节器均难以实现这点。
   
   　　辐射热、传导热与热管理
   　　使用高亮度LED的用户(特别是汽车制造业)要面临的关键问题与最大挑战之一，是LED的自热问题。LED的每瓦流明已取得了很大改进，但事实上LED的多数电能均转化成传导热。LED能产生的适合车厢照明的辐射热较少，但在寒冷气候中，头灯的辐射热却能有效地融化透镜上的雪。因此，热管理是可靠控制LED的关键。
   　　热管理主要指温度增加时减少电流。使用高亮度LED的优点是电流变化较大时，眼睛无法察觉到亮度变化。一般而言，电流下降25%，单个LED的亮度变化并不明显。
    　　但是，LED会随温度与电流的变化而改变颜色，这点是否会影响汽车照明应用仍有待探讨。LED的频谱是否适用于照明，在一般夜视效果下是否会影响驾驶者的距离感，这些问题可能更加重要。
   　　采用PWM方法来减低亮度比，而非直流电控制，可得到更大的光暗比例，且色温不会发生变化，因此用PWM方法减低亮度是较好的方法。但是，频率的选择也很重要。一般认为频率为200Hz比较好，因为人眼不会感觉200Hz光的闪烁，此外较低的频率可确保处于低于开关式调节器的转换频率。但是，必须预见到头灯存在频闪效应的潜在问题。一种较为合适的方法是使用更高频率来调节LED的亮度，从而避免“偏摆”效应。此外，必须谨慎选择电感器，避免汽车内产生可听到的噪声。
   
   　　LED的温度传感也是需要解决的问题。热敏电阻器是广泛使用的方法，但使用热敏电阻器必须十分小心，温度控制响应应设定为LED需要减少的电流所对应的温度上限。当环境温度降低时，简单的温度控制可导致LED的电流增加。图2给出了LED对环境温度的典型响应要求。
   
图2：LED对环境温度的典型响应要求。
   　　LED的应用范围
   　　在汽车应用中，LED主要被用来外部与内部照明。外部照明设备涉及热极限与EMC问题，同时还有卸载负载测试的许多复杂标准，例如，电压是 40V、60V、80V，还是100V LED的驱动电路必须符合汽车EMC规格的严格要求。对于通过高效、电感开关式调节器驱动的LED，符合上述要求有一定难度，所有预防措施将增加总体方案的成本。在外部照明应用领域，头灯、雾灯及指示灯是目标应用。
   　　由于LED所具备的优点，可广泛使用LED来营造车内舒适环境，比如仪表类照明灯、踏板照明灯、航图灯、后雾灯、汽车后刹车与指示灯，而用于显示汽车“娱乐信息”的平板显示屏的混色背光照明及气氛照明将进一步增加LED的应用。
   　　Zetex的LED产品
   　　用于简单开关LED负载的BSP75器件，是具备ESD保护、过热、负载骤降、过电流与过电压保护的可靠的FET，适用于对电流高至1.2A的LED进行开关。
   　　如果需要同时监控电流(如显示刹车LED灯簇的故障)，Zetex的电流监测器ZXCT1081能适应60V电压瞬变和125℃工作温度。针对汽车LED控制，Zetex提供一系列开关式调节器，驱动电流可达1A。ZXLD1350、ZXLD1360与ZXLD1362是磁滞降压型转换器，可以驱动1W LED串和3W LED串。这些器件可确保用很少的元器件可靠地控制LED，并可以通过单一引脚，实现关闭、软启动或PWM调光及温度控制等功能。