- LED的工作原理及應用于汽車(chē)照明的優(yōu)勢
- 汽車(chē)照明應用中LED驅動(dòng)器的設計及特點(diǎn)
- LED應用于汽車(chē)照明的缺陷及解決辦法
- 汽車(chē)照明應用中LED驅動(dòng)器設計
LED是一種高效環(huán)保的新型半導體光源，有其它光源無(wú)法比擬的優(yōu)勢。在未來(lái)汽車(chē)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(mǎn)足汽車(chē)照明強度的要求。針對LED 的發(fā)光特性，重點(diǎn)討論了LED 驅動(dòng)的設計及特點(diǎn)，同時(shí)簡(jiǎn)述了LED 目前存在的問(wèn)題及解決方法。
1 汽車(chē)車(chē)燈作用及要求
目前，汽車(chē)日趨平民化，已成為主要交通工具，行車(chē)安全引起了社會(huì )廣泛的關(guān)注。據不完全統計，汽車(chē)在夜晚或自然光線(xiàn)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(chē)外照明燈及信號燈是汽車(chē)安全行駛的關(guān)鍵部件，必須滿(mǎn)足下列條件：
(1)汽車(chē)照明燈點(diǎn)亮無(wú)延遲，響應時(shí)間更快，給駕駛員更多的反應時(shí)間。
(2)照明亮度強，在夜間或自然光線(xiàn)不足的情況下提高駕駛員的視野，同時(shí)使車(chē)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(huán)境。
(5)基于汽車(chē)銷(xiāo)售競爭日益激烈，車(chē)燈設計要實(shí)用和美觀(guān)。
2 LED 成為汽車(chē)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(guò)摻雜等手段形成PN 結的半導體器件。當滿(mǎn)足二極管導通條件時(shí)，電流流過(guò)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)光強度主要依據通過(guò)的電流大小，正向導通時(shí)，其壓降非常高，而且本身具有一定的波動(dòng)范圍。
由于LED 沒(méi)有紅外線(xiàn)及紫外線(xiàn)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(shí)，結溫會(huì )逐漸升高。而LED 是具有負溫度系數的器件，流過(guò)LED 的電流會(huì )隨溫度升高而增大，這就形成了正反饋，造成結溫的進(jìn)一步升高，如不加控制，就會(huì )燒毀LED。LED 的熱學(xué)參數與PN 結的結溫有很大關(guān)系，主波長(cháng)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 結溫升高10℃時(shí)，主波長(cháng) ( 人眼能夠觀(guān)察到的) 就會(huì )向長(cháng)波漂移1nm(1nm=10-9m)，導致LED 亮度下降，出現光衰。因此， 個(gè)別LED 過(guò)熱，就會(huì )造成LED 陣列發(fā)光的均勻性變差。
2.2 LED 顯著(zhù)的照明優(yōu)勢
LED 被稱(chēng)為新光源，原因在于LED 具備點(diǎn)光源與固態(tài)光源的特性，因此具有其它照明光源無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。
(1)LED 壽命理論上可達10 萬(wàn)小時(shí)， 實(shí)際壽命也可達到2 萬(wàn)小時(shí)以上，比一般白炙燈泡的1 000 小時(shí)、日光燈具的1 萬(wàn)小時(shí)更具優(yōu)勢，在汽車(chē)使用壽命期間一般無(wú)須更換。
(2)點(diǎn)亮無(wú)延遲，響應時(shí)間更快。LED 的啟動(dòng)時(shí)間僅為幾十納秒，啟動(dòng)時(shí)間較白熾燈泡大大縮短。
(3)在光線(xiàn)亮度高、自然光線(xiàn)可見(jiàn)度低的情況下，大大降低汽車(chē)事故發(fā)生率;基本上無(wú)輻射，屬于“綠色光源”。
(4)LED 占用體積小， 結構簡(jiǎn)單，高耐震，設計者可以隨意變換燈具模式，令汽車(chē)造型多樣化，滿(mǎn)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(shí)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(yōu)勢，LED 可以在汽車(chē)照明中廣泛應用，但單個(gè)LED 無(wú)法滿(mǎn)足汽車(chē)照明強度的要求，必須多個(gè)串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)成LED 陣列使用，如圖1 所示。
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2.3 LED 驅動(dòng)的設計及特點(diǎn)
LED 驅動(dòng)方式可采用電阻限流、線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)型變換器3 類(lèi)。電阻限流方案適用于效率低的應用場(chǎng)合，所以對效率要求極高，輸入電壓范圍寬的汽車(chē)照明上不采用此方法;線(xiàn)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(chǎng)合，但同樣存在效率和輸入電壓范圍小的問(wèn)題;開(kāi)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、噪聲和輸出調節等因素后，驅動(dòng)電路多采用開(kāi)關(guān)型變換器。開(kāi)關(guān)變換器拓撲結構分為Buck、Boost 及Buck-Boos 等方式。目前來(lái)看，LED 應用在汽車(chē)照明上，其驅動(dòng)電源必然是鉛酸蓄電池。
因為蓄電池的輸入電壓范圍會(huì )與正常的范圍有很大的出入，因此驅動(dòng)電路一般用Buck-Boost 拓撲結構滿(mǎn)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(gè)開(kāi)關(guān)周期內，開(kāi)通時(shí)間與周期的比值)有關(guān)。當電池電壓低于LED 所需電壓時(shí)，調節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(shí)，調節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(guò)的電流成正比。如果LED 不是恒流驅動(dòng)，通過(guò)的電流波動(dòng)時(shí)，即使電壓恒定也會(huì )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(lái)驅動(dòng)，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(dòng)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(dòng)電路原理圖如圖1 所示。
圖1LED 驅動(dòng)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(guò)LED 的電流采樣，將信號傳到控制電路?？刂齐娐贩治霾蓸有畔?，調節Buck-Boost 電路中開(kāi)關(guān)管的占空比，保證通過(guò)LED 電流恒定;當電路出現異常時(shí)，通過(guò)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(dòng)電路必須滿(mǎn)足下列要求：
(1)升降壓功能。當輸入電壓或LED 本身壓降波動(dòng)時(shí)，調節輸出電壓，滿(mǎn)足輸出電流恒定的要求，保證LED 發(fā)光穩定可靠。
(2)高功率轉換效率。以降低驅動(dòng)損耗，節省成本，同時(shí)減少蓄電池充電次數，延長(cháng)電池使用壽命。
(3)亮度調節功能。周?chē)h(huán)境很暗時(shí)，信號燈往往不需最大電流驅動(dòng)，此時(shí)可控制驅動(dòng)電流而改變LED的亮度，進(jìn)而降低LED 的耗電量。調節驅動(dòng)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(guò)壓保護、過(guò)熱保護、輸出開(kāi)路或短路保護等。
(5)良好的散熱功能。由LED 的熱學(xué)特性可知，溫度是影響LED 工作的重要因素之一。在夜晚行車(chē)時(shí)，LED 處于長(cháng)時(shí)間點(diǎn)亮狀態(tài)，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(lái)的問(wèn)題
理論上LED 都是發(fā)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(chǎng)家也難避免)，實(shí)際LED 陣列中單個(gè)LED 的性能是有差異的。這將導致LED的發(fā)光強度與驅動(dòng)電流不完全相同，耐過(guò)電流能力和發(fā)熱的差異也就自然而然的不同了。因為L(cháng)ED 的差異總有一個(gè)最先損壞，會(huì )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(fā)展的因素之一。因此， 制造商應提高LED 質(zhì)量，避免較大差異，同時(shí)設計驅動(dòng)電路時(shí)應設計相應的保護電路，防止上述現象發(fā)生。
3.2 驅動(dòng)電路復雜的問(wèn)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(dòng)，必須要設計復雜的變換電路。其次，在驅動(dòng)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(chǎng)的競爭力與購買(mǎi)群體。
因此，設計時(shí)盡量采用專(zhuān)用驅動(dòng)芯片，以簡(jiǎn)化驅動(dòng)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(dòng)方面效果良好。
3.3 LED 的成本問(wèn)題
一部車(chē)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(cháng)的優(yōu)勢能彌補其成本高昂的劣勢，但是從總體上來(lái)看，其成本仍大大高于其他光源。這是目前LED 性能突出但沒(méi)有占據大量市場(chǎng)份額的主要原因。
但是各國政府對LED 技術(shù)十分重視，每年投入大量資金進(jìn)行研究，相信這個(gè)問(wèn)題在不遠的將來(lái)必會(huì )圓滿(mǎn)解決。
4 結束語(yǔ)
由于LED 成本較高，驅動(dòng)技術(shù)比較復雜，現在還沒(méi)有全面廣泛地進(jìn)入汽車(chē)市場(chǎng)。我國已經(jīng)規定，凡是上高速公路的汽車(chē)必須裝設LED 霧燈。未來(lái)，隨著(zhù)LED 價(jià)格逐漸下降，其車(chē)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(chē)型R8 上市以來(lái)，國際上如凱迪拉克、寶馬、豐田、奔馳和福特等知名汽車(chē)公司都紛紛推出配有五彩繽紛的LED 燈具的新款轎車(chē)以吸引顧客。隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展，LED 必將在未來(lái)幾年內廣泛應用在汽車(chē)市場(chǎng)。整體看，汽車(chē)用燈LED化是車(chē)燈發(fā)展的一個(gè)大趨勢，必將是汽車(chē)照明系統發(fā)展史上的一次飛躍。
