LED在汽车电子设计优缺点及解决方法

LED是一种高效环保的新型半导体光源，有其它光源无法比拟的优势。在未来汽车照明应用中前景光明。LED 可以用串联、并联等不同的方式组合成LED 阵列，以满足汽车照明强度的要求。针对LED 的发光特性，重点讨论了LED 驱动的设计及特点，同时简述了LED 目前存在的问题及解决方法。
   1 汽车车灯作用及要求
   目前，汽车日趋平民化，已成为主要交通工具，行车安全引起了社会广泛的关注。据不完全统计，汽车在夜晚或自然光线不足的情况下行驶的里程占总行驶里程的25%，而在此间发生的交通事故占到总事故的40%，并且一半以上的伤亡事故发生在夜间。因此，车外照明灯及信号灯是汽车安全行驶的关键部件，必须满足下列条件：
   （1）汽车照明灯点亮无延迟，响应时间更快，给驾驶员更多的反应时间。
   （2）照明亮度强，在夜间或自然光线不足的情况下提高驾驶员的视野，同时使车外信号灯的指示作用更强。
   （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）节能，能够有效减少废气的排放量，保护环境。
   （5）基于汽车销售竞争日益激烈，车灯设计要实用和美观。
   2 LED 成为汽车照明选材中的新星
   2.1 LED 的工作原理
   LED 是特殊的二极管，是一种通过掺杂等手段形成PN 结的半导体器件。当满足二极管导通条件时，电流流过LED，以光和热的形式释放出能量。LED 是电流控制的电流型元件，其发光强度主要依据通过的电流大小，正向导通时，其压降非常高，而且本身具有一定的波动范围。
   由于LED 没有红外线及紫外线的辐射，其消耗的能量除转换为光能外，几乎都是热能，且只能以热传导的形式传出，因此，LED 在工作时，结温会逐渐升高。而LED 是具有负温度系数的器件，流过LED 的电流会随温度升高而增大，这就形成了正反馈，造成结温的进一步升高，如不加控制，就会烧毁LED。LED 的热学参数与PN 结的结温有很大关系，主波长与温度的关系如下式：
   mp（Tl） = m0（T0）+ 3Tg #0.1nm/°C
   由上式可知，每当LED 结温升高10℃时，主波长 （ 人眼能够观察到的） 就会向长波漂移1nm（1nm=10-9m），导致LED 亮度下降，出现光衰。因此， 个别LED 过热，就会造成LED 阵列发光的均匀性变差。
   2.2 LED 显着的照明优势
   LED 被称为新光源，原因在于LED 具备点光源与固态光源的特性，因此具有其它照明光源无法比拟的优点。
   （1）LED 寿命理论上可达10 万小时， 实际寿命也可达到2 万小时以上，比一般白炙灯泡的1 000 小时、日光灯具的1 万小时更具优势，在汽车使用寿命期间一般无须更换。
   （2）点亮无延迟，响应时间更快。LED 的启动时间仅为几十纳秒，启动时间较白炽灯泡大大缩短。
   （3）在光线亮度高、自然光线可见度低的情况下，大大降低汽车事故发生率；基本上无辐射，属于“绿色光源”。
   （4）LED 占用体积小， 结构简单，高耐震，设计者可以随意变换灯具模式，令汽车造型多样化，满足不同消费者需求。
   （5）LED 光源受电压变化的影响远远小于白炽灯泡，显示了卓越的安全性和可靠性，同时消耗的能量较同光效的白炽灯减少80%，非常节能。
   基于上述优势，LED 可以在汽车照明中广泛应用，但单个LED 无法满足汽车照明强度的要求，必须多个串联、并联或串并联成LED 阵列使用，如图1 所示。
   
   图1 LED 组合成的照明光源
   2.3 LED 驱动的设计及特点
   LED 驱动方式可采用电阻限流、线性稳压器和开关型变换器3 类。电阻限流方案适用于效率低的应用场合，所以对效率要求极高，输入电压范围宽的汽车照明上不采用此方法；线性稳压器适应于低电流或LED 正向压降稍低于电源电压的场合，但同样存在效率和输入电压范围小的问题；开关型变换器具有电路拓扑灵活、效率高和输入电压宽的特性。因此，综合考虑工作效率、安装尺寸、静态电流、工作电压、噪声和输出调节等因素后，驱动电路多采用开关型变换器。开关变换器拓扑结构分为Buck、Boost 及Buck-Boos 等方式。目前来看，LED 应用在汽车照明上，其驱动电源必然是铅酸蓄电池。
   因为蓄电池的输入电压范围会与正常的范围有很大的出入，因此驱动电路一般用Buck-Boost 拓扑结构满足LED阵列对电压要求。此电路拓扑结构直流增益（输出电压与输入电压之比）与占空比D（一个开关周期内，开通时间与周期的比值）有关。当电池电压低于LED 所需电压时，调节D ＞ 0.5，使电路处于升压状态；当电池电压高于LED 所需电压时，调节D ＜ 0.5，使电路处于降压状态。LED 是电流控制的电流型元件，亮度与流过的电流成正比。如果LED 不是恒流驱动，通过的电流波动时，即使电压恒定也会造成LED 的亮度变化。为保证亮度稳定可靠，LED 需要恒定的电流来驱动，而且还需要在任何情况下都能将纹波电流控制在可接受的水平。所以，LED 驱动电路的输出必须是恒流输出而非恒压输出。
   可以设计LED 驱动电路原理图如图2 所示。
   
   图2 LED 驱动原理图
   图2 可知，Buck-Boost 电路将蓄电池电能变换后对LED 阵列供电，采样电路对流过LED 的电流采样，将信号传到控制电路。控制电路分析采样信息，调节Buck-Boost 电路中开关管的占空比，保证通过LED 电流恒定；当电路出现异常时，通过控制保护电路切断电源，保证LED 不受损害。一般情况下，LED 驱动电路必须满足下列要求：
   （1）升降压功能。当输入电压或LED 本身压降波动时，调节输出电压，满足输出电流恒定的要求，保证LED 发光稳定可靠。
   （2）高功率转换效率。以降低驱动损耗，节省成本，同时减少蓄电池充电次数，延长电池使用寿命。
   （3）亮度调节功能。周围环境很暗时，信号灯往往不需最大电流驱动，此时可控制驱动电流而改变LED的亮度，进而降低LED 的耗电量。调节驱动电流常用的方法是利用PWM 信号控制。
   （4）具有完善的保护电路。应设置各种保护措施，用以保护自身和LED 可靠工作。例如，低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或短路保护等。
   （5）良好的散热功能。由LED 的热学特性可知，温度是影响LED 工作的重要因素之一。在夜晚行车时，LED 处于长时间点亮状态，因此，必须有良好的散热功能，保证LED 的寿命及工作可靠。
   3 LED 的缺陷及解决方法
   3.1 不一致性带来的问题
   理论上LED 都是发光二极管，但是由于材料的纯度、工艺和封装的差异（即使是同一厂家也难避免），实际LED 阵列中单个LED 的性能是有差异的。这将导致LED的发光强度与驱动电流不完全相同，耐过电流能力和发热的差异也就自然而然的不同了。因为LED 的差异总有一个最先损坏，会使电流增大而损坏其他的LED。这就是不一致性带的结果，也是制约其发展的因素之一。因此，制造商应提高LED 质量，避免较大差异，同时设计驱动电路时应设计相应的保护电路，防止上述现象发生。
   3.2 驱动电路复杂的问题
   首先，在电压匹配方面，LED 不像普通白炽灯泡，可以直接连接220V 的交流市电。LED 是3.6 ～ 4.5V 的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路。其次，在驱动电流方面，为了保证LED 正常工作，要恒流、恒压电路供电，另加保护电路。这样电源电路复杂性和故障率都将升高，从而大大地限制了市场的竞争力与购买群体。
   因此，设计时尽量采用专用驱动芯片，以简化驱动电路结构，增强系统工作的稳定性。例如，FAN5608 系列、CAT4201、LT3754 等芯片，在LED 驱动方面效果良好。
   3.3 LED 的成本问题
   一部车若把照明全部换成LED，内、外部大约各需用掉200 ～ 300 颗LED，和其他照明光源相比，成本显得相当高。尽管寿命长的优势能弥补其成本高昂的劣势，但是从总体上来看，其成本仍大大高于其他光源。这是目前LED性能突出但没有占据大量市场份额的主要原因。
   但是各国政府对LED 技术十分重视，每年投入大量资金进行研究，相信这个问题在不远的将来必会圆满解决。
   4 结束语
   由于LED 成本较高，驱动技术比较复杂，现在还没有全面广泛地进入汽车市场。我国已经规定，凡是上高速公路的汽车必须装设LED 雾灯。未来，随着LED 价格逐渐下降，其车灯模块必将逐步使用高亮度LED 作为光源。自从奥迪第一款加装LED 前灯的车型R8 上市以来，国际上如凯迪拉克、宝马、丰田、奔驰和福特等知名汽车公司都纷纷推出配有五彩缤纷的LED 灯具的新款轿车以吸引顾客。随着汽车工业的不断发展，LED 必将在未来几年内广泛应用在汽车市场。整体看，汽车用灯LED化是车灯发展的一个大趋势，必将是汽车照明系统发展史上的一次飞跃。