车用LED照明技术及现状分析

　　摘要： 随着汽车工业的快速发展，对汽车节能减排及安全性能的要求越来越高，汽车照明系统的节能与安全问题已成为该领域研究的热点。作为第四代车用光源，LED 有很多优于其他传统光源的特点。为此分析了车用LED 照明的可行性和先进性，介绍了其典型的驱动电路，并着重研究了LED 以及AFS 在汽车前照灯上应用现状。介绍了车用LED 照明面临的问题及应对措施，并对其未来发展进行了展望。

　　随着全球经济的发展和人民生活水平的提高， 汽车在日常生活中的使用越来越多， 因此汽车节能减排及行车安全的要求日益提高。汽车照明系统是保障汽车安全行驶的关键部件， 光源又是汽车照明系统的关键。发光二极管（LED）作为第四代车用光源具有寿命长、能耗低、体积小、响应快、单色性好等诸多优点， 顺应了未来汽车的安全、节能、紧凑、时尚的发展趋势。相信随着汽车工业的成熟以及LED 芯片、封装、散热等技术突飞猛进的发展，LED 在汽车照明系统中的应用会越来越广， 规模会越来越大。

　　1 车用LED 照明的可行性和先进性

　　在汽车上使用照明光源大约开始于20 世纪初。最先使用的是煤油灯和乙炔灯，1910 年开始使用电光源，先后经历了白炽灯、卤钨灯及高强度放电式气体灯HID（Intensity Discharge Lamp）， 自1985 年开始进入了LED车用灯时代。同时LED 灯应用于自适应前照系统AFS（Adaptive Front Lighting System）的技术随之出现。

　　目前，LED 已被众多汽车厂商加以利用制造出各种车灯款式。宝马、福特、本田、丰田、奔驰、奥迪等着名品牌车为了提高各自的总体竞争力， 纷纷推出配有各式各样LED 车灯的新款轿车以吸引顾客。LED 具有很多其他光源所不具备的优点：（1） 寿命长、抗震性好。LED 的使用寿命理论上可达5 万小时， 实际寿命也可达2 万小时（ 普通的卤素灯泡仅为150 ～500 小时左右） ， 一般都要超过汽车本身的寿命。另外，LED 的基本结构中没有易损可动部件， 故抗震性能非常好。（2） 节能环保。LED在低电压小电流的条件下就能够获得足够亮度， 其耗电量仅为相同亮度白炽灯的10%～20%；LED 光源中不含危害人体健康的汞， 生产过程和废弃物不会造成环境污染。（3） 响应速度快。与白炽灯相比，LED 灯的响应时间已经达到了几十纳秒， 这样， 当采用LED 作为汽车尾灯时， 可以使后续汽车司机更早反应， 以减少交通事故的发生。（4） 体积小。小巧的LED 可使汽车风格的设计更加自由、多样化， 从而使车型更加时尚； 与传统光源相比，LED 信号灯系统的安装深度可以减少80 mm， 这一点对于汽车造型和内部零件布置具有重要意义。

　　目前汽车产业在全球经济中仍然是支柱产业， 并处在飞速发展的关键时期， 其必定会带动车用灯具的发展， 为LED 在汽车上的应用提供广阔的市场空间。

　　2 车用LED 照明的驱动电路

　　LED 属于电流控制型半导体器件， 图1 是LED 的伏安特性曲线。由图1 可知， 此曲线比较陡， 在正向导通之前LED 几乎无电流流过； 当正向电压超过开启电压时，电流就急剧上升， 发光亮度L 与正向电流IF近似成正比：L=KIF， 其中K 为比例系数， 故可以通过控制LED 的IF来控制其发光亮度。因此， 为了保证其亮度的一致性， 通常采用恒流源驱动电路。

　　汽车电池工作电压范围为9 V～16 V， 通常情况下为12 V ， 但是当汽车冷启动时蓄电池的电压可跌落到4 V， 而当蓄电池缺损由发电机直接供电时， 此电压可达到36 V 的高压。因此， 对于车用LED 灯具而言， 要可靠地恒流驱动LED 串， 驱动控制器必须具备精确的电压和电流调节、保护电路和调光功能。因此， 设计一种稳压性能良好而又恒流输出的驱动电路十分必要。

目前车用LED 驱动器一般采用两种方法控制正向电流。（1） 采用LED 的V-I 曲线确定产生预期正向电流所需要向LED 施加的电压。其缺点为：LED 正向电压的任何变化都会导致LED 电流的变化， 其中的镇流电阻的压降和功耗会浪费功率和降低电池使用寿命。（2） 利用恒流源来驱动LED。因为此方法需要将LED 并联在电路中， 而驱动并联LED 需要在每个LED 串中放置一个镇流电阻， 这会导致效率降低和电流失配。因此， 这两种方法都不能充分体现LED 应有的优越性。为了克服现有车用LED 驱动器的缺点， 出现了车用LED 阵列的高效智能驱动方法。该方法采用了半桥式DC-DC 变换技术、全波整流技术、光电耦合技术等， 确保了整个驱动电路的工作效率； 提出了基于嵌入式系统的智能控制方案， 此方案采用智能PWM 稳流控制和调光控制， 具有负载开路/短路保护和过流过压保护功能。图2 为LED阵列智能驱动实验电路。

　1 W 大功率白光LED 的市场价格约是白炽灯的十几倍到几十倍不等， 故LED 芯片还有很大的降价空间， 其主要途径为： ①发展大芯片大电流。现在的芯片一般在0.5 mm~1.5 mm 之间， 芯片小， 电流难以加大， 这是LED向单颗大功率发展的障碍。如果在不降低光效的前提下把芯片做大以便通过更大的电流， 大幅提高单颗LED的功率， 这样灯具所用的LED 数量将明显减少， 有助于灯具成本的下降。②研发新型衬底材料。现在国内已经启动了价格比较便宜的Si 衬底材料的研究， 希望能代替价格昂贵的蓝宝石或SiC。除价格便宜外，Si 还可以制作出比蓝宝石或SiC 衬底尺寸更大的衬底， 以提高MOCVD 的利用率， 从而提高管芯产率[ 18]。此外， 由于Si的硬度比蓝宝石和SiC 低， 在加工方面也可以节省成本。据国外某知名公司的估计， 使用硅衬底制作蓝光GaN LED 的制造成本将比蓝宝石和SiC 衬底低90%。③继续延长LED 的寿命。理论上，LED 的寿命已经超过汽车使用寿命， 但在实际汽车环境应用中，LED 使用寿命还有待进一步提高。如果LED 实际使用寿命能达到整车的寿命， 则在汽车寿命期内无需更换光源， 免去了这方面的维修费用， 就会更加经济。

　　就整个车用LED 照明系统而言， 必须降低LED 驱动方案的系统级成本， 以提高该项技术的市场竞争力。

　　降低方案成本的途径之一是尽可能减少驱动器的元器件数量， 同时这也有利于提高系统可靠性， 因为PCB 上的每个元件都可能是系统的一个失效点。

　　（2） 散热问题

　　通常高功率LED 输入功率约20%转换成光能， 剩下的80%均转换为热能， 这比传统灯源高很多。如果这部分热能无法导出， 将会使LED 界面温度过高， 进而影响产品生命周期、发光效率及稳定性， 由此整个汽车照明系统就会受到严重影响[19]。目前改善车用LED 灯具散热的主要途径：①LED 自身的改进。首先， 改进封装结构。传统直插式LED 封装结构热阻高达250℃/W～300℃/W， 而新的封装结构采用低电阻率、高导热性能的材料粘结芯片， 在芯片下部加铜或铝质热沉， 并采用半包封结构， 大大提高了LED 的散热能力[ 20-21]。其次， 改进LED 的制作材料， 采用超薄、高导热、高绝缘陶瓷薄片作基底， 提高散热效果； 开发量子转换效率高、能承受高温的荧光粉，提高允许的最大结点温度， 增大允许的散热设计温差，以降低散热设计的难度。②散热装置的改进。主要有： 考虑采用合适的散热形式， 如热管、风扇、水冷等， 要保证将热量迅速地散发出去， 同时散热装置能够稳定地工作[ 22 -23]； 考虑散热片的结构形状尺寸， 要保证足够的散热面积， 同时散热效果要好； 考虑电路板的设计格式， 可将印制电路板设计为上下两层， 下层专用于信号发生电路及驱动电路， 上层为LED 点阵电路， 这样能够有效地避免因为LED 的热量传递到驱动芯片而使其损坏。

　　（3） 光效问题

　　提升LED 光效是车用LED 技术发展的关键， 是车用LED 产业化的出发点和原动力。从封装技术上来说，LED 的封装应该尽量减少光线在其内部的全反射， 增加衬底基板反射率， 从而使光线能够尽量多地透射出来，增加LED 的发光效能。今年2 月，Cree 公司已经宣布其实验室成果LED 光效已经达到2 081 m/W， 相信这不是极限， 还会有更高的提升空间， 但需要有新的技术突破。

　　（4） 电磁干扰问题

　　汽车环境下同样面临电磁干扰问题EMI （ElectroMagnetic Interference） 。车载电子产品对噪声很敏感， 尤其是导航系统、无线电路和AM 无线电波段接收机。为了最大限度地降低发生噪声干扰的可能性， 有些LED驱动器IC 中采用了恒定频率开关拓扑结构。另外， 用户还可在200 kHz~2 MHz 的范围内设置开关频率， 以使开关噪声远离关键频段（如AM 无线电波段）。

　　5 车用LED 照明市场展望

　　LED 在汽车照明系统中的应用虽然刚刚起步， 但随着半导体照明技术和汽车工业的飞速发展， 车用LED灯具的总体效率以及性价比将会得到很大的提高， 应用规模将会逐渐扩大， 并最终占据整个汽车车灯市场。

　　据调查， 目前全球车内应用的LED 年销售额大约在5 亿到6 亿欧元， 在汽车内部， 如汽车仪表盘、车内收音机、开关等已经100%采用LED， 并且这一趋势正在加速从车内应用向车外应用。此外， 近期欧盟委员会宣布， 从2011 年起， 欧盟所有新生产轿车必须配置“ 白天驾驶自动照明系统” 。与此同时， 欧盟委员会已经批准奥迪和丰田将LED 作为照明车灯在汽车上使用。由此可见， 车用LED 灯具在全球范围内具有极大的市场潜力。

　　车用LED 照明技术也得到我国政府的大力支持。

　　2010 年1 月， 全国半导体照明电子行业标准发布及宣贯大会在广东江门市发布了LED 行业第一批国家标准，这标志着我国LED 产业发展开始进入标准化时代[ 24]。

　　复旦大学教授、半导体物理专家方志烈说，2009 年我国LED 应用产品产值已经超过600 亿元， 全行业进入利润自主创新、实现跨越式发展的重大历史机遇，2015 年产业规模有望达到5 000 亿元[ 25]。因此在我国LED 将面临巨大的发展机遇， 同样车用LED 照明技术也会得到高速发展， 科研、生产和商家对此都会给与高度关注。

　　车用LED 灯具以其卓越的可靠性、环保性、节能性和时尚性， 为汽车车灯的升级和变革注入了新生力量。

　　随着产品成本的降低、生产技术的完善以及资金规模的扩大， 车用LED 照明技术的发展必将对汽车的行驶和安全提供更有力的保障， 汽车灯具的LED 化必将成为汽车照明系统发展史上的转折点。