LED是一種高效環(huán)保的新型半導(dǎo)體光源,，有其它光源無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),。在未來(lái)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(wèn)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(wú)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(guò)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(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(qiáng)度主要依據(jù)通過(guò)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(méi)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(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(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(guò)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(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。
（1）LED 壽命理論上可達(dá)10 萬(wàn)小時(shí),， 實(shí)際壽命也可達(dá)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(shì),，在汽車使用壽命期間一般無(wú)須更換,。
（2）點(diǎn)亮無(wú)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(jiàn)度低的情況下,，大大降低汽車事故發(fā)生率；基本上無(wú)輻射,，屬于“綠色光源”,。
（4）LED 占用體積小， 結(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(wú)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。
圖1 LED 組合成的照明光源
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(wèn)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(lái)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(guò)的電流成正比,。如果LED 不是恒流驅(qū)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(wěn)定可靠，LED 需要恒定的電流來(lái)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2 所示,。
圖2 LED 驅(qū)動(dòng)原理圖
圖2 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(guò)LED 的電流采樣,，將信號(hào)傳到控制電路?？刂齐娐贩治霾蓸有畔?，調(diào)節(jié)Buck-Boost 電路中開關(guān)管的占空比，保證通過(guò)LED 電流恒定,；當(dāng)電路出現(xiàn)異常時(shí),，通過(guò)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(guò)壓保護(hù)、過(guò)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,。
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(guò)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(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(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(wèn)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(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(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(wèn)題在不遠(yuǎn)的將來(lái)必會(huì)圓滿解決,。
4 結(jié)束語(yǔ)
由于LED 成本較高，驅(qū)動(dòng)技術(shù)比較復(fù)雜,，現(xiàn)在還沒(méi)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(lái),，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(lái),，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(lái)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,。