- LED的工作原理及應(yīng)用于汽車照明的優(yōu)勢(shì)
- 汽車照明應(yīng)用中LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)
- LED應(yīng)用于汽車照明的缺陷及解決辦法
- 汽車照明應(yīng)用中LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)
LED是一種高效環(huán)保的新型半導(dǎo)體光源，有其它光源無法比擬的優(yōu)勢(shì)。在未來汽車照明應(yīng)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，以滿足汽車照明強(qiáng)度的要求。針對(duì)LED 的發(fā)光特性，重點(diǎn)討論了LED 驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)，同時(shí)簡(jiǎn)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(huì)廣泛的關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(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，車外照明燈及信號(hào)燈是汽車安全行駛的關(guān)鍵部件，必須滿足下列條件：
(1)汽車照明燈點(diǎn)亮無延遲，響應(yīng)時(shí)間更快，給駕駛員更多的反應(yīng)時(shí)間。
(2)照明亮度強(qiáng)，在夜間或自然光線不足的情況下提高駕駛員的視野，同時(shí)使車外信號(hào)燈的指示作用更強(qiáng)。
(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(jié)能，能夠有效減少?gòu)U氣的排放量，保護(hù)環(huán)境。
(5)基于汽車銷售競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，車燈設(shè)計(jì)要實(shí)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(jié)的半導(dǎo)體器件。當(dāng)滿足二極管導(dǎo)通條件時(shí)，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(fā)光強(qiáng)度主要依據(jù)通過的電流大小，正向?qū)〞r(shí)，其壓降非常高，而且本身具有一定的波動(dòng)范圍。
由于LED 沒有紅外線及紫外線的輻射，其消耗的能量除轉(zhuǎn)換為光能外，幾乎都是熱能，且只能以熱傳導(dǎo)的形式傳出，因此，LED 在工作時(shí)，結(jié)溫會(huì)逐漸升高。而LED 是具有負(fù)溫度系數(shù)的器件，流過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(jié)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(shù)與PN 結(jié)的結(jié)溫有很大關(guān)系，主波長(zhǎng)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(dāng)LED 結(jié)溫升高10℃時(shí)，主波長(zhǎng) ( 人眼能夠觀察到的) 就會(huì)向長(zhǎng)波漂移1nm(1nm=10-9m)，導(dǎo)致LED 亮度下降，出現(xiàn)光衰。因此， 個(gè)別LED 過熱，就會(huì)造成LED 陣列發(fā)光的均勻性變差。
2.2 LED 顯著的照明優(yōu)勢(shì)
LED 被稱為新光源，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法比擬的優(yōu)點(diǎn)。
(1)LED 壽命理論上可達(dá)10 萬小時(shí)， 實(shí)際壽命也可達(dá)到2 萬小時(shí)以上，比一般白炙燈泡的1 000 小時(shí)、日光燈具的1 萬小時(shí)更具優(yōu)勢(shì)，在汽車使用壽命期間一般無須更換。
(2)點(diǎn)亮無延遲，響應(yīng)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)在光線亮度高、自然光線可見度低的情況下，大大降低汽車事故發(fā)生率;基本上無輻射，屬于“綠色光源”。
(4)LED 占用體積小， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高耐震，設(shè)計(jì)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(fèi)者需求。
(5)LED 光源受電壓變化的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jié)能。
基于上述優(yōu)勢(shì)，LED 可以在汽車照明中廣泛應(yīng)用，但單個(gè)LED 無法滿足汽車照明強(qiáng)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(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)
LED 驅(qū)動(dòng)方式可采用電阻限流、線性穩(wěn)壓器和開關(guān)型變換器3 類。電阻限流方案適用于效率低的應(yīng)用場(chǎng)合，所以對(duì)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(wěn)壓器適應(yīng)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題;開關(guān)型變換器具有電路拓?fù)潇`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(diào)節(jié)等因素后，驅(qū)動(dòng)電路多采用開關(guān)型變換器。開關(guān)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為Buck、Boost 及Buck-Boos 等方式。目前來看，LED 應(yīng)用在汽車照明上，其驅(qū)動(dòng)電源必然是鉛酸蓄電池。
因?yàn)樾铍姵氐妮斎腚妷悍秶鷷?huì)與正常的范圍有很大的出入，因此驅(qū)動(dòng)電路一般用Buck-Boost 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)滿足LED陣列對(duì)電壓要求。此電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直流增益(輸出電壓與輸入電壓之比)與占空比D(一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，開通時(shí)間與周期的比值)有關(guān)。當(dāng)電池電壓低于LED 所需電壓時(shí)，調(diào)節(jié)D > 0.5，使電路處于升壓狀態(tài);當(dāng)電池電壓高于LED 所需電壓時(shí)，調(diào)節(jié)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，亮度與流過的電流成正比。如果LED 不是恒流驅(qū)動(dòng)，通過的電流波動(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(wěn)定可靠，LED 需要恒定的電流來驅(qū)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(qū)動(dòng)電路的輸出必須是恒流輸出而非恒壓輸出。
可以設(shè)計(jì)LED 驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖1 所示。
圖1LED 驅(qū)動(dòng)原理圖
圖1 可知，Buck-Boost 電路將蓄電池電能變換后對(duì)LED 陣列供電，采樣電路對(duì)流過LED 的電流采樣，將信號(hào)傳到控制電路。控制電路分析采樣信息，調(diào)節(jié)Buck-Boost 電路中開關(guān)管的占空比，保證通過LED 電流恒定;當(dāng)電路出現(xiàn)異常時(shí)，通過控制保護(hù)電路切斷電源，保證LED 不受損害。一般情況下，LED 驅(qū)動(dòng)電路必須滿足下列要求：
(1)升降壓功能。當(dāng)輸入電壓或LED 本身壓降波動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)輸出電壓，滿足輸出電流恒定的要求，保證LED 發(fā)光穩(wěn)定可靠。
(2)高功率轉(zhuǎn)換效率。以降低驅(qū)動(dòng)損耗，節(jié)省成本，同時(shí)減少蓄電池充電次數(shù)，延長(zhǎng)電池使用壽命。
(3)亮度調(diào)節(jié)功能。周圍環(huán)境很暗時(shí)，信號(hào)燈往往不需最大電流驅(qū)動(dòng)，此時(shí)可控制驅(qū)動(dòng)電流而改變LED的亮度，進(jìn)而降低LED 的耗電量。調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流常用的方法是利用PWM 信號(hào)控制。
(4)具有完善的保護(hù)電路。應(yīng)設(shè)置各種保護(hù)措施，用以保護(hù)自身和LED 可靠工作。例如，低壓鎖存、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)、輸出開路或短路保護(hù)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。在夜晚行車時(shí)，LED 處于長(zhǎng)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 不一致性帶來的問題
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(dǎo)致LED的發(fā)光強(qiáng)度與驅(qū)動(dòng)電流不完全相同，耐過電流能力和發(fā)熱的差異也就自然而然的不同了。因?yàn)長(zhǎng)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(jié)果，也是制約其發(fā)展的因素之一。因此， 制造商應(yīng)提高LED 質(zhì)量，避免較大差異，同時(shí)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)電路，防止上述現(xiàn)象發(fā)生。
3.2 驅(qū)動(dòng)電路復(fù)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(qū)動(dòng)，必須要設(shè)計(jì)復(fù)雜的變換電路。其次，在驅(qū)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(hù)電路。這樣電源電路復(fù)雜性和故障率都將升高，從而大大地限制了市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力與購(gòu)買群體。
因此，設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用專用驅(qū)動(dòng)芯片，以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。例如，F(xiàn)AN5608 系列、CAT4201、LT3754 等芯片，在LED 驅(qū)動(dòng)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(nèi)、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(dāng)高。盡管壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)能彌補(bǔ)其成本高昂的劣勢(shì)，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(jù)大量市場(chǎng)份額的主要原因。
但是各國(guó)政府對(duì)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)問題在不遠(yuǎn)的將來必會(huì)圓滿解決。
4 結(jié)束語
由于LED 成本較高，驅(qū)動(dòng)技術(shù)比較復(fù)雜，現(xiàn)在還沒有全面廣泛地進(jìn)入汽車市場(chǎng)。我國(guó)已經(jīng)規(guī)定，凡是上高速公路的汽車必須裝設(shè)LED 霧燈。未來，隨著LED 價(jià)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(guó)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(yè)的不斷發(fā)展，LED 必將在未來幾年內(nèi)廣泛應(yīng)用在汽車市場(chǎng)。整體看，汽車用燈LED化是車燈發(fā)展的一個(gè)大趨勢(shì)，必將是汽車照明系統(tǒng)發(fā)展史上的一次飛躍。
