- LED的工作原理及應用于汽車照明的優勢
- 汽車照明應用中LED驅動器的設計及特點
- LED應用于汽車照明的缺陷及解決辦法
- 汽車照明應用中LED驅動器設計
LED是一種高效環保的新型半導體光源，有其它光源無法比擬的優勢。在未來汽車照明應用中前景光明。LED 可以用串聯、并聯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 的發光特性，重點討論了LED 驅動的設計及特點，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注。據不完全統計，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生在夜間。因此，車外照明燈及信號燈是汽車安全行駛的關鍵部件，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)節能，能夠有效減少廢氣的排放量，保護環境。
(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，其發光強度主要依據通過的電流大小，正向導通時，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，結溫會逐漸升高。而LED 是具有負溫度系數的器件，流過LED 的電流會隨溫度升高而增大，這就形成了正反饋，造成結溫的進一步升高，如不加控制，就會燒毀LED。LED 的熱學參數與PN 結的結溫有很大關系，主波長與溫度的關系如下式：
mp(Tl) = m0(T0)+ 3Tg #0.1nm/°C
由上式可知，每當LED 結溫升高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，出現光衰。因此， 個別LED 過熱，就會造成LED 陣列發光的均勻性變差。
2.2 LED 顯著的照明優勢
LED 被稱為新光源，原因在于LED 具備點光源與固態光源的特性，因此具有其它照明光源無法比擬的優點。
(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生率;基本上無輻射，屬于“綠色光源”。
(4)LED 占用體積小， 結構簡單，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%，非常節能。
基于上述優勢，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、并聯或串并聯成LED 陣列使用，如圖1 所示。
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2.3 LED 驅動的設計及特點
LED 驅動方式可采用電阻限流、線性穩壓器和開關型變換器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、靜態電流、工作電壓、噪聲和輸出調節等因素后，驅動電路多采用開關型變換器。開關變換器拓撲結構分為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，因此驅動電路一般用Buck-Boost 拓撲結構滿足LED陣列對電壓要求。此電路拓撲結構直流增益(輸出電壓與輸入電壓之比)與占空比D(一個開關周期內，開通時間與周期的比值)有關。當電池電壓低于LED 所需電壓時，調節D > 0.5，使電路處于升壓狀態;當電池電壓高于LED 所需電壓時，調節D < 0.5，使電路處于降壓狀態。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。為保證亮度穩定可靠，LED 需要恒定的電流來驅動，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 驅動電路原理圖如圖1 所示。
圖1LED 驅動原理圖
圖1 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。控制電路分析采樣信息，調節Buck-Boost 電路中開關管的占空比，保證通過LED 電流恒定;當電路出現異常時，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，調節輸出電壓，滿足輸出電流恒定的要求，保證LED 發光穩定可靠。
(2)高功率轉換效率。以降低驅動損耗，節省成本，同時減少蓄電池充電次數，延長電池使用壽命。
(3)亮度調節功能。周圍環境很暗時，信號燈往往不需最大電流驅動，此時可控制驅動電流而改變LED的亮度，進而降低LED 的耗電量。調節驅動電流常用的方法是利用PWM 信號控制。
(4)具有完善的保護電路。應設置各種保護措施，用以保護自身和LED 可靠工作。例如，低壓鎖存、過壓保護、過熱保護、輸出開路或短路保護等。
(5)良好的散熱功能。由LED 的熱學特性可知，溫度是影響LED 工作的重要因素之一。在夜晚行車時，LED 處于長時間點亮狀態，因此，必須有良好的散熱功能，保證LED 的壽命及工作可靠。
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3 LED 的缺陷及解決方法
3.1 不一致性帶來的問題
理論上LED 都是發光二極管，但是由于材料的純度、工藝和封裝的差異(即使是同一廠家也難避免)，實際LED 陣列中單個LED 的性能是有差異的。這將導致LED的發光強度與驅動電流不完全相同，耐過電流能力和發熱的差異也就自然而然的不同了。因為LED 的差異總有一個最先損壞，會使電流增大而損壞其他的LED。這就是不一致性帶的結果，也是制約其發展的因素之一。因此， 制造商應提高LED 質量，避免較大差異，同時設計驅動電路時應設計相應的保護電路，防止上述現象發生。
3.2 驅動電路復雜的問題
首先，在電壓匹配方面，LED 不像普通白熾燈泡，可以直接連接220V 的交流市電。LED 是3.6 ～ 4.5V 的低電壓驅動，必須要設計復雜的變換電路。其次，在驅動電流方面，為了保證LED 正常工作，要恒流、恒壓電路供電，另加保護電路。這樣電源電路復雜性和故障率都將升高，從而大大地限制了市場的競爭力與購買群體。
因此，設計時盡量采用專用驅動芯片，以簡化驅動電路結構，增強系統工作的穩定性。例如，FAN5608 系列、CAT4201、LT3754 等芯片，在LED 驅動方面效果良好。
3.3 LED 的成本問題
一部車若把照明全部換成LED，內、外部大約各需用掉200 ～ 300 顆LED，和其他照明光源相比，成本顯得相當高。盡管壽命長的優勢能彌補其成本高昂的劣勢，但是從總體上來看，其成本仍大大高于其他光源。這是目前LED 性能突出但沒有占據大量市場份額的主要原因。
但是各國政府對LED 技術十分重視，每年投入大量資金進行研究，相信這個問題在不遠的將來必會圓滿解決。
4 結束語
由于LED 成本較高，驅動技術比較復雜，現在還沒有全面廣泛地進入汽車市場。我國已經規定，凡是上高速公路的汽車必須裝設LED 霧燈。未來，隨著LED 價格逐漸下降，其車燈模塊必將逐步使用高亮度LED 作為光源。自從奧迪第一款加裝LED 前燈的車型R8 上市以來，國際上如凱迪拉克、寶馬、豐田、奔馳和福特等知名汽車公司都紛紛推出配有五彩繽紛的LED 燈具的新款轎車以吸引顧客。隨著汽車工業的不斷發展，LED 必將在未來幾年內廣泛應用在汽車市場。整體看，汽車用燈LED化是車燈發展的一個大趨勢，必將是汽車照明系統發展史上的一次飛躍。
