車用LED照明技術(shù)及現(xiàn)狀分析

摘 要： 隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)汽車節(jié)能減排及安全性能的要求越來(lái)越高，汽車照明系統(tǒng)的節(jié)能與安全問題已成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。作為第四代車用光源，LED有很多優(yōu)于其他傳統(tǒng)光源的特點(diǎn)。為此分析了車用LED照明的可行性和先進(jìn)性，介紹了其典型的驅(qū)動(dòng)電路，并著重研究了LED以及AFS在汽車前照燈上應(yīng)用現(xiàn)狀。介紹了車用LED照明面臨的問題及應(yīng)對(duì)措施，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞： 車用LED；驅(qū)動(dòng)電路；前照燈；自適應(yīng)前照系統(tǒng)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車在日常生活中的使用越來(lái)越多，因此汽車節(jié)能減排及行車安全的要求日益提高。汽車照明系統(tǒng)是保障汽車安全行駛的關(guān)鍵部件，光源又是汽車照明系統(tǒng)的關(guān)鍵。發(fā)光二極管(LED)作為第四代車用光源具有壽命長(zhǎng)、能耗低、體積小、響應(yīng)快、單色性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，順應(yīng)了未來(lái)汽車的安全、節(jié)能、緊湊、時(shí)尚的發(fā)展趨勢(shì)。相信隨著汽車工業(yè)的成熟以及LED芯片、封裝、散熱等技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，LED在汽車照明系統(tǒng)中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣，規(guī)模會(huì)越來(lái)越大。
1 車用LED照明的可行性和先進(jìn)性
在汽車上使用照明光源大約開始于20世紀(jì)初。最先使用的是煤油燈和乙炔燈，1910年開始使用電光源，先后經(jīng)歷了白熾燈、鹵鎢燈及高強(qiáng)度放電式氣體燈HID(Intensity Discharge Lamp)，自1985年開始進(jìn)入了LED車用燈時(shí)代。同時(shí)LED燈應(yīng)用于自適應(yīng)前照系統(tǒng)AFS(Adaptive Front Lighting System)的技術(shù)隨之出現(xiàn)[1-2]。
目前，LED已被眾多汽車廠商加以利用制造出各種車燈款式。寶馬、福特、本田、豐田、奔馳、奧迪等著名品牌車為了提高各自的總體競(jìng)爭(zhēng)力，紛紛推出配有各式各樣LED車燈的新款轎車以吸引顧客。LED具有很多其他光源所不具備的優(yōu)點(diǎn)：(1)壽命長(zhǎng)、抗震性好。LED的使用壽命理論上可達(dá)5萬(wàn)小時(shí)，實(shí)際壽命也可達(dá)2萬(wàn)小時(shí)(普通的鹵素?zé)襞輧H為150～500小時(shí)左右)[3]，一般都要超過汽車本身的壽命。另外，LED的基本結(jié)構(gòu)中沒有易損可動(dòng)部件，故抗震性能非常好。(2)節(jié)能環(huán)保。LED在低電壓小電流的條件下就能夠獲得足夠亮度，其耗電量?jī)H為相同亮度白熾燈的10%～20%[4]；LED光源中不含危害人體健康的汞，生產(chǎn)過程和廢棄物不會(huì)造成環(huán)境污染。(3)響應(yīng)速度快。與白熾燈相比，LED燈的響應(yīng)時(shí)間已經(jīng)達(dá)到了幾十納秒[5]，這樣，當(dāng)采用LED作為汽車尾燈時(shí)，可以使后續(xù)汽車司機(jī)更早反應(yīng)，以減少交通事故的發(fā)生。(4)體積小。小巧的LED可使汽車風(fēng)格的設(shè)計(jì)更加自由、多樣化，從而使車型更加時(shí)尚；與傳統(tǒng)光源相比，LED信號(hào)燈系統(tǒng)的安裝深度可以減少80 mm[6]，這一點(diǎn)對(duì)于汽車造型和內(nèi)部零件布置具有重要意義 。
目前汽車產(chǎn)業(yè)在全球經(jīng)濟(jì)中仍然是支柱產(chǎn)業(yè)，并處在飛速發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，其必定會(huì)帶動(dòng)車用燈具的發(fā)展，為L(zhǎng)ED在汽車上的應(yīng)用提供廣闊的市場(chǎng)空間。
2 車用LED照明的驅(qū)動(dòng)電路
LED屬于電流控制型半導(dǎo)體器件，圖1是LED的伏安特性曲線。由圖1可知，此曲線比較陡，在正向?qū)ㄖ癓ED幾乎無(wú)電流流過；當(dāng)正向電壓超過開啟電壓時(shí)，電流就急劇上升，發(fā)光亮度L與正向電流IF近似成正比：L=KIF，其中K為比例系數(shù)，故可以通過控制LED的IF來(lái)控制其發(fā)光亮度[7-8]。因此，為了保證其亮度的一致性，通常采用恒流源驅(qū)動(dòng)電路。

汽車電池工作電壓范圍為9 V～16 V，通常情況下為12 V，但是當(dāng)汽車?yán)鋯?dòng)時(shí)蓄電池的電壓可跌落到4 V，而當(dāng)蓄電池缺損由發(fā)電機(jī)直接供電時(shí)，此電壓可達(dá)到36 V的高壓。因此，對(duì)于車用LED燈具而言，要可靠地恒流驅(qū)動(dòng)LED串，驅(qū)動(dòng)控制器必須具備精確的電壓和電流調(diào)節(jié)、保護(hù)電路和調(diào)光功能。因此，設(shè)計(jì)一種穩(wěn)壓性能良好而又恒流輸出的驅(qū)動(dòng)電路十分必要。
目前車用LED驅(qū)動(dòng)器一般采用兩種方法控制正向電流。(1)采用LED的V-I曲線確定產(chǎn)生預(yù)期正向電流所需要向LED施加的電壓。其缺點(diǎn)為：LED正向電壓的任何變化都會(huì)導(dǎo)致LED電流的變化，其中的鎮(zhèn)流電阻的壓降和功耗會(huì)浪費(fèi)功率和降低電池使用壽命。(2)利用恒流源來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。因?yàn)榇朔椒ㄐ枰獙ED并聯(lián)在電路中，而驅(qū)動(dòng)并聯(lián)LED需要在每個(gè)LED串中放置一個(gè)鎮(zhèn)流電阻，這會(huì)導(dǎo)致效率降低和電流失配。因此，這兩種方法都不能充分體現(xiàn)LED應(yīng)有的優(yōu)越性。為了克服現(xiàn)有車用LED驅(qū)動(dòng)器的缺點(diǎn)，出現(xiàn)了車用LED陣列的高效智能驅(qū)動(dòng)方法。該方法采用了半橋式DC-DC變換技術(shù)、全波整流技術(shù)、光電耦合技術(shù)等，確保了整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的工作效率；提出了基于嵌入式系統(tǒng)的智能控制方案，此方案采用智能PWM穩(wěn)流控制和調(diào)光控制，具有負(fù)載開路/短路保護(hù)和過流過壓保護(hù)功能[9-10]。圖2為L(zhǎng)ED陣列智能驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)電路。
如圖2所示，CPU輸出兩路完全倒相對(duì)稱的PWM信號(hào)A、B，分別作用在開關(guān)器件上，使其輪流導(dǎo)通；通過高頻變壓器T將能量耦合到次級(jí)，再經(jīng)快恢復(fù)二極管D1、D2進(jìn)行全波整流，以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED陣列的驅(qū)動(dòng)。LED陣列驅(qū)動(dòng)回路的光電耦合器，完成對(duì)LED陣列驅(qū)動(dòng)電流的監(jiān)測(cè)，并反饋到CPU，形成一種智能電流負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，以確保驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定的可靠性。

車用LED驅(qū)動(dòng)電路的集成化和智能化程度越來(lái)越高。類似PMU(電源管理單元)的芯片及封裝的小型化將逐漸取代多個(gè)單一功能電路進(jìn)行組合的方法，以適應(yīng)板級(jí)空間非常有限的車載應(yīng)用。同時(shí)，由于單片機(jī)、DSP等控制芯片以及嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，可通過軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)車用照明系統(tǒng)的自動(dòng)化，這樣LED的恒流驅(qū)動(dòng)精度以及亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)會(huì)更加準(zhǔn)確。智能化控制已經(jīng)成為新一代車用LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)理念[11]。
3 汽車LED前照燈
由于汽車前照燈在行車安全中具有重要的作用，因此LED前照燈是最難也是最后投入使用的。以前，LED前照燈只應(yīng)用在概念車上，隨著LED照明技術(shù)以及汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，LED前照燈的應(yīng)用范圍已從概念車、豪華車向中檔車甚至一般車型過渡，并且照明發(fā)光強(qiáng)度已達(dá)到白熾燈的水平。
汽車前照燈包括遠(yuǎn)光燈和近光燈。在夜間行駛時(shí)，遠(yuǎn)光燈應(yīng)保證照亮車前100 m、高2 m處范圍內(nèi)的物體，且亮度均勻；近光燈不但要保證車前40 m司機(jī)能看清障礙物，而且不能讓迎面而來(lái)的駕駛員或行人產(chǎn)生眩光，以確保汽車在夜間交會(huì)車行駛時(shí)的安全[12]。
傳統(tǒng)汽車前照燈輸出近光和遠(yuǎn)光兩種功能的光束，且每種光束分布模式均呈靜態(tài)分布，具體的光照分布也都符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[12]。但在實(shí)際應(yīng)用中，此系統(tǒng)射出的光束分布于有限的角度范圍，在一些較為復(fù)雜的路況下(如轉(zhuǎn)彎)極易產(chǎn)生視覺盲區(qū)。另外，傳統(tǒng)汽車前照明系統(tǒng)不具備自動(dòng)調(diào)整光束分布的功能，近光光束和遠(yuǎn)光光束之間的變換需駕駛員手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)，這樣在來(lái)往車輛頻繁的行車環(huán)境下，車輛之間容易產(chǎn)生眩目光。為了克服傳統(tǒng)汽車前照燈的上述缺點(diǎn)，自適應(yīng)前照系統(tǒng)AFS應(yīng)運(yùn)而生[12]。
AFS是一種能使駕駛員更好地適應(yīng)各種速度、道路類型和天氣條件的變化，提高駕駛安全性的前照燈系統(tǒng)。其工作原理如下：當(dāng)汽車進(jìn)入特殊的道路狀況(如彎道)時(shí)，由于方向盤和速度發(fā)生變化，角度傳感器和速度傳感器傳輸?shù)诫娍貑卧?ECU)的信號(hào)就相應(yīng)發(fā)生了變化。ECU捕捉到這些信號(hào)變化，同時(shí)判斷車輛進(jìn)入了哪種彎道，并發(fā)出相應(yīng)的指令給前照燈的控制單元，控制單元根據(jù)收到的指令操控裝在AFS燈體內(nèi)部的微電機(jī)帶動(dòng)發(fā)光三要素繞相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而在非常規(guī)路面及天氣下行駛時(shí)，改變照明方式，提供更好的安全保障[13-17]。
隨著白光LED技術(shù)的發(fā)展及空氣動(dòng)力學(xué)和汽車造型的需求，汽車前部位置越來(lái)越低且呈流線型，為前照燈預(yù)留的空間越來(lái)越小。為了滿足汽車照明智能化和人性化的需求，AFS與LED燈的結(jié)合已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車前照燈的發(fā)展趨勢(shì)。
4 車用LED照明面臨的問題及應(yīng)對(duì)措施
車用LED照明技術(shù)作為一項(xiàng)具有突破性意義的新技術(shù)，已經(jīng)被大多數(shù)的汽車制造商以及消費(fèi)者所接受，越來(lái)越多的高檔汽車都配備了LED燈。但由于汽車應(yīng)用環(huán)境的特殊要求，要真正實(shí)現(xiàn)車用LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源，還有很多技術(shù)難題需要解決。
(1)成本問題
全球范圍內(nèi)，車用LED生產(chǎn)成本的下降速度將是影響今后車用LED大規(guī)模應(yīng)用的主要因素之一。就元件本身而言，LED燈的價(jià)格普遍高于其他傳統(tǒng)光源。如：1 W大功率白光LED的市場(chǎng)價(jià)格約是白熾燈的十幾倍到幾十倍不等，故LED芯片還有很大的降價(jià)空間，其主要途徑為：①發(fā)展大芯片大電流?，F(xiàn)在的芯片一般在0.5 mm~1.5 mm之間，芯片小，電流難以加大，這是LED向單顆大功率發(fā)展的障礙。如果在不降低光效的前提下把芯片做大以便通過更大的電流，大幅提高單顆LED的功率，這樣燈具所用的LED數(shù)量將明顯減少，有助于燈具成本的下降。②研發(fā)新型襯底材料?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)啟動(dòng)了價(jià)格比較便宜的Si襯底材料的研究，希望能代替價(jià)格昂貴的藍(lán)寶石或SiC。除價(jià)格便宜外，Si還可以制作出比藍(lán)寶石或SiC襯底尺寸更大的襯底，以提高M(jìn)OCVD的利用率，從而提高管芯產(chǎn)率[18]。此外，由于Si的硬度比藍(lán)寶石和SiC低，在加工方面也可以節(jié)省成本。據(jù)國(guó)外某知名公司的估計(jì)，使用硅襯底制作藍(lán)光GaN LED的制造成本將比藍(lán)寶石和SiC襯底低90%。③繼續(xù)延長(zhǎng)LED的壽命。理論上，LED的壽命已經(jīng)超過汽車使用壽命，但在實(shí)際汽車環(huán)境應(yīng)用中，LED使用壽命還有待進(jìn)一步提高。如果LED實(shí)際使用壽命能達(dá)到整車的壽命，則在汽車壽命期內(nèi)無(wú)需更換光源，免去了這方面的維修費(fèi)用，就會(huì)更加經(jīng)濟(jì)。
就整個(gè)車用LED照明系統(tǒng)而言，必須降低LED驅(qū)動(dòng)方案的系統(tǒng)級(jí)成本，以提高該項(xiàng)技術(shù)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。降低方案成本的途徑之一是盡可能減少驅(qū)動(dòng)器的元器件數(shù)量，同時(shí)這也有利于提高系統(tǒng)可靠性，因?yàn)镻CB上的每個(gè)元件都可能是系統(tǒng)的一個(gè)失效點(diǎn)。
(2)散熱問題
通常高功率LED輸入功率約20%轉(zhuǎn)換成光能，剩下的80%均轉(zhuǎn)換為熱能，這比傳統(tǒng)燈源高很多。如果這部分熱能無(wú)法導(dǎo)出，將會(huì)使LED界面溫度過高，進(jìn)而影響產(chǎn)品生命周期、發(fā)光效率及穩(wěn)定性，由此整個(gè)汽車照明系統(tǒng)就會(huì)受到嚴(yán)重影響[19]。目前改善車用LED燈具散熱的主要途徑：①LED自身的改進(jìn)。首先，改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)直插式LED封裝結(jié)構(gòu)熱阻高達(dá)250℃/W～300℃/W，而新的封裝結(jié)構(gòu)采用低電阻率、高導(dǎo)熱性能的材料粘結(jié)芯片，在芯片下部加銅或鋁質(zhì)熱沉，并采用半包封結(jié)構(gòu)，大大提高了LED的散熱能力[20-21]。其次，改進(jìn)LED的制作材料，采用超薄、高導(dǎo)熱、高絕緣陶瓷薄片作基底，提高散熱效果；開發(fā)量子轉(zhuǎn)換效率高、能承受高溫的熒光粉，提高允許的最大結(jié)點(diǎn)溫度，增大允許的散熱設(shè)計(jì)溫差，以降低散熱設(shè)計(jì)的難度。②散熱裝置的改進(jìn)。主要有：考慮采用合適的散熱形式，如熱管、風(fēng)扇、水冷等，要保證將熱量迅速地散發(fā)出去，同時(shí)散熱裝置能夠穩(wěn)定地工作[22-23]；考慮散熱片的結(jié)構(gòu)形狀尺寸，要保證足夠的散熱面積，同時(shí)散熱效果要好；考慮電路板的設(shè)計(jì)格式，可將印制電路板設(shè)計(jì)為上下兩層，下層專用于信號(hào)發(fā)生電路及驅(qū)動(dòng)電路，上層為L(zhǎng)ED點(diǎn)陣電路，這樣能夠有效地避免因?yàn)長(zhǎng)ED的熱量傳遞到驅(qū)動(dòng)芯片而使其損壞。
(3)光效問題
提升LED光效是車用LED技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，是車用LED產(chǎn)業(yè)化的出發(fā)點(diǎn)和原動(dòng)力。從封裝技術(shù)上來(lái)說，LED的封裝應(yīng)該盡量減少光線在其內(nèi)部的全反射，增加襯底基板反射率，從而使光線能夠盡量多地透射出來(lái)，增加LED的發(fā)光效能。今年2月，Cree公司已經(jīng)宣布其實(shí)驗(yàn)室成果LED光效已經(jīng)達(dá)到2 081 m/W，相信這不是極限，還會(huì)有更高的提升空間，但需要有新的技術(shù)突破。
(4)電磁干擾問題
汽車環(huán)境下同樣面臨電磁干擾問題EMI(Electro Magnetic Interference)。車載電子產(chǎn)品對(duì)噪聲很敏感，尤其是導(dǎo)航系統(tǒng)、無(wú)線電路和AM無(wú)線電波段接收機(jī)。為了最大限度地降低發(fā)生噪聲干擾的可能性，有些LED驅(qū)動(dòng)器IC中采用了恒定頻率開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。另外，用戶還可在200 kHz~2 MHz的范圍內(nèi)設(shè)置開關(guān)頻率，以使開關(guān)噪聲遠(yuǎn)離關(guān)鍵頻段(如AM無(wú)線電波段)。
5 車用LED照明市場(chǎng)展望
LED在汽車照明系統(tǒng)中的應(yīng)用雖然剛剛起步，但隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)和汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，車用LED燈具的總體效率以及性價(jià)比將會(huì)得到很大的提高，應(yīng)用規(guī)模將會(huì)逐漸擴(kuò)大，并最終占據(jù)整個(gè)汽車車燈市場(chǎng)。
據(jù)調(diào)查，目前全球車內(nèi)應(yīng)用的LED年銷售額大約在5億到6億歐元，在汽車內(nèi)部，如汽車儀表盤、車內(nèi)收音機(jī)、開關(guān)等已經(jīng)100%采用LED，并且這一趨勢(shì)正在加速?gòu)能噧?nèi)應(yīng)用向車外應(yīng)用。此外，近期歐盟委員會(huì)宣布，從2011年起，歐盟所有新生產(chǎn)轎車必須配置“白天駕駛自動(dòng)照明系統(tǒng)”。與此同時(shí)，歐盟委員會(huì)已經(jīng)批準(zhǔn)奧迪和豐田將LED作為照明車燈在汽車上使用。由此可見，車用LED燈具在全球范圍內(nèi)具有極大的市場(chǎng)潛力。
車用LED照明技術(shù)也得到我國(guó)政府的大力支持。2010年1月，全國(guó)半導(dǎo)體照明電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布及宣貫大會(huì)在廣東江門市發(fā)布了LED行業(yè)第一批國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這標(biāo)志著我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展開始進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)代[24]。復(fù)旦大學(xué)教授、半導(dǎo)體物理專家方志烈說，2009年我國(guó)LED應(yīng)用產(chǎn)品產(chǎn)值已經(jīng)超過600億元，全行業(yè)進(jìn)入利潤(rùn)自主創(chuàng)新、實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的重大歷史機(jī)遇，2015年產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望達(dá)到5 000億元[25]。因此在我國(guó)LED將面臨巨大的發(fā)展機(jī)遇，同樣車用LED照明技術(shù)也會(huì)得到高速發(fā)展，科研、生產(chǎn)和商家對(duì)此都會(huì)給與高度關(guān)注。
車用LED燈具以其卓越的可靠性、環(huán)保性、節(jié)能性和時(shí)尚性，為汽車車燈的升級(jí)和變革注入了新生力量。隨著產(chǎn)品成本的降低、生產(chǎn)技術(shù)的完善以及資金規(guī)模的擴(kuò)大，車用LED照明技術(shù)的發(fā)展必將對(duì)汽車的行駛和安全提供更有力的保障，汽車燈具的LED化必將成為汽車照明系統(tǒng)發(fā)展史上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
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