高亮度led在汽车照明应用中的关键问题
时间：2011-1-14 下午 05:35:53 作者： 来源：
采用高亮度led 照明将成为未来汽车的主要特征,这归功于led 相对于传统的白炽光照明方案所具有的许多基本优势。此外,采用led照明 也可带动汽车设计技术和设计风格上的变化。然而,正像任何创新技术一样,led在被广泛用于汽车照明之前,仍需要克服许多困难。 关键特性 1. 可靠性与使用寿命 led的预期使用寿命为5万个小时,而卤钨灯为2万个小时,钨白炽灯为3千个小时。相对于白炽灯,led的结构坚固,不容易受振动影响,使用过程中光输出亮度 也不会明显下降。基于多个led的照明方案还具备“冗余度”好处,即使一个led出现故障,仍可以继续使用照明装置。正确使用led(特别是正确控制led的温度),可有效延长led的预期寿命。相反,如果温度过高,led很容易损坏。led应用在汽车照明上还牵涉许多法律定义问题。大多数国家对刹车灯或头灯故障——灯亮或熄灭有明确定义。但对采用多个led的灯,很难准确定义照明灯是否已经损坏。制造商与立法机构正在定义led的使用方法。 2. 效率/每瓦流明 与标准的白炽灯相比,led消耗每单位电能 可以产生更多的光输出。但与卤素灯相比时,led的实际光输出的优势并不明显。最新的led具备出色的流明每瓦数值,但某些数值是在优化条件下取得的,而通常不是在最高输出条件下获得的。一般而言,当led的电流增加时,光输出量并未呈线性增加。因此,即使led在0.5a电流下输出x流明,它在1.0a电流下也不会输出2x流明。 3. 响应速度 以刹车灯和方向指示灯管为例,假设车辆时速为125公里/小时,即35米/秒时,白炽灯的热启动时间约为250毫秒,而反应迅速的led可提早约8米距离发出刹车警告,从而有效避免汽车相撞。指示灯也是如此。 4. 方向性 另一个关键特性是led的发光方式。与白炽灯不同,led只透过一个表面发光,这对头灯与航图灯应用有好处,但可能不适合车厢照明灯其它照明应用(图1)。 控制led的方法 1. 电流控制 led的一个基本问题是,led是由电流控制的器件,其电压降相对较低。最简单的方法是使用电阻限制led的电流,但该方法并不适合采用额定电压为12v或24v电池的系统,因为电池的实际电压是从6v至18v或12v至36v。因此,如果需要保持亮度,就必须进行恒流控制。 2. 电流的线性控制 线性控制指通过线性调节器保持通过led的电流为常数。线性控制在某些情况下效率很低,例如,正向电压为3.5v的单1a(3w)led,需要调节器在保持1a电流的同时将的额定12v电源 降至8.5v,这样使用3w led将浪费8.5w的功率 。线性电流控制是产生噪声最少的技术,而且从emc 角度看,线性电流控制最安全。 3. 开关 式调节器 电感 式开关恒流技术虽然产生的电子噪声较多,但它的效率更高。根据led的使用数量,可以采用降压或降/升压调节器。 4. emc问题 必须尽量减少辐射与传导噪声,将噪声控制在容许极限内。虽然pwm 方法的频率固定,且相对较容易进行滤波,但由于led负载较为稳定,如果采取适当措施,磁滞控制器 及pfm是合适的选择。开关式调节器的发展趋势是频率将更高,以减少电感/电容的体积。这对汽车应用而言,这总是最佳的解决方案。将频率保持在较低的水平有助于避免干扰问题。 基频的“抖动”或“扩展”技术确实有助于符合类似峰值emc测试 要求,但最佳的方法是不产生任何辐射,而任何开关式调节器均难以实现这点。 辐射热、传导热与热管理 使用高亮度led的用户(特别是汽车制造业)要面临的关键问题与最大挑战之一,是led的自热问题。led的每瓦流明已取得了很大改进,但事实上led的多数电能均转化成传导热。led能产生的适合车厢照明的辐射热较少,但在寒冷气候中,头灯的辐射热却能有效地融化透镜 上的雪。因此,热管理是可靠控制led的关键。 热管理主要指温度增加时减少电流。使用高亮度led的优点是电流变化较大时,眼睛无法察觉到亮度变化。一般而言,电流下降25%,单个led的亮度变化并不明显。 但是,led会随温度与电流的变化而改变颜色,这点是否会影响汽车照明应用仍有待探讨。led的频谱是否适用于照明,在一般夜视效果下是否会影响驾驶者的距离感,这些问题可能更加重要。 采用pwm方法来减低亮度比,而非直流电控制,可得到更大的光暗比例,且色温 不会发生变化,因此用pwm方法减低亮度是较好的方法。但是,频率的选择也很重要。一般认为频率为200hz比较好,因为人眼不会感觉200hz光的闪烁,此外较低的频率可确保处于低于开关式调节器的转换频率。但是,必须预见到头灯存在频闪效应的潜在问题。一种较为合适的方法是使用更高频率来调节led的亮度,从而避免“偏摆”效应。此外,必须谨慎选择电感器,避免汽车内产生可听到的噪声。 led的温度传感也是需要解决的问题。热敏电阻器是广泛使用的方法,但使用热敏电阻器必须十分小心,温度控制响应应设定为led需要减少的电流所对应的温度上限。当环境温度降低时,简单的温度控制可导致led的电流增加。图2给出了led对环境温度的典型响应要求。 led的应用范围 在汽车应用中,led主要被用来外部与内部照明。外部照明设备涉及热极限与emc问题,同时还有卸载负载测试的许多复杂标准,例如,电压是40v、60v、80v,还是100v led的驱动 电路必须符合汽车emc规格的严格要求。对于通过高效、电感开关式调节器驱动的led,符合上述要求有一定难度,所有预防措施将增加总体方案的成本。在外部照明应用领域,头灯、雾灯及指示灯是目标应用。 由于led所具备的优点,可广泛使用led来营造车内舒适环境,比如仪表类照明灯、踏板照明灯、航图灯、后雾灯、汽车后刹车与指示灯,而用于显示 汽车“娱乐信息”的平板显示 屏的混色背光照明及气氛照明将进一步增加led的应用。 zetex的led产品 用于简单开关led负载的bsp75器件,是具备esd 保护、过热、负载骤降、过电流与过电压保护的可靠的fet,适用于对电流高至1.2a的led进行开关。 如果需要同时监控电流(如显示刹车led灯 簇的故障),zetex的电流监测器zxct1081能适应60v电压瞬变和125℃工作温度。针对汽车led控制 ,zetex提供一系列开关式调节器,驱动电流可达1a。zxld1350、zxld1360与zxld1362是磁滞降压型转换器,可以驱动1w led串和3w led串。这些器件可确保用很少的元器件可靠地控制led,并可以通过单一引脚,实现关闭、软启动或pwm调光及温度控制等功能。 应用半透明材料的完全漫透射性可降低光源的亮度。亮度是其内部光量和它表面投影 面积的函数,面积越大表面亮度越低。半透明材料能降低亮度,但光源发出的光通量 却降低不多,而且适用于需要提供垂直照度 的场所,例如采用磨砂玻璃罩、乳白玻璃灯罩等。还可与其他方法相结合控制亮度,如用半透明挡光板和遮光格栅等。控制间接照明亮度是用两种原理结合而成的。一是应用遮挡的方法把灯隐藏起来;二是应用偏转方向的办法把灯光射向二次发光构件(顶棚或檐壁)。二次发光体的面积越大、亮度越均匀,表面亮度越低,效果越好。有时也可将间接照明、遮挡、偏转几种方法结合使用,效果更好。