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高亮度LED在汽车照明应用中的关键问题

Zetex Semiconductors公司全球应用经理 Colin Davies?? 2010年03月05日 ?? 收藏0

  毋庸置疑,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)。

与白炽灯不同
图1:与白炽灯不同,LED发出光具有方向性。

  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。

关键特性

  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。


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LED? 汽车照明? 使用寿命?

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