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解析LED车灯在汽车照明中的功能和应用

所属分类：车灯/照明 2013-8-31 22:43:15 推荐指数：

　　LED早期在汽车上的成功应用主要是在指示与显示方面，而非照明，这是由于早期 LED 的单位输出流明成本较高。例如，在仪表盘上使用 LED 来替代白炽灯泡迅速取得成功，因为保修与更换成本的降低显易而见，成本更高的 LED其实比白炽灯泡更具优势。

　　比较 LED 与传统光源的不同之处将有助于确定采用 LED 技术的产品的设计纲领，帮助人们为应用设计选择适合的 LED 产品和技术。

　　用于照明的 LED 的关键属性如下：

　　* 寿命长;

　　* 工作温度范围广;

　　* 固态程度坚固;

　　* 色饱和度好;

　　* 功耗低，驱动电压低;

　　* 形状因子小，设计更灵活;

　　* 点源好，光学效率高，便于定向照明;

　　* 开关时间短;

　　* 调光范围广;

　　不含汞，符合 RoHS 要求。*

　　除成本之外，LED 可提供更多的功能和造型优势。例如，LED 正开始被设计用于汽车的日间行车灯 (DRL)，因为它们的小巧能够提供独特的差异化造型，这是传统光源无法轻松实现的(图 1Audi R4)。

　　图 1 Audi R4 – LED DRL 实现了实质功能，展现了品牌的特点

　　LED 几乎可瞬时点亮的能力相比白炽灯来说，为驾驶者带来了更大的安全性，在以时速 60 英里行驶时可增加约一个车身长度的制动距离。

　　LED 大灯被认为可提高驾驶者安全性，因为它们发出的光更接近日光的颜色，由此提高了远距离标志的清晰度，同时也降低了视觉疲劳。

　　LED 大灯更低的能耗可将节约下来的电能用于增加行驶里程，或用于现今电气设备不断增加的汽车上的其他电气与电子用途(例如，信息娱乐、MP3 设备、环境照明、主动安全系统等等)

　　LED 在刹车灯等彩色灯用途方面效率特别高。白炽灯需要使用滤光镜来产生车辆所需的红光和黄光，而LED 则已经具备了外部信号灯所需的适当颜色，不需要额外滤光，从而提高了效率(表 1)。

　　表 1 发光效能比较。

　　LED 技术的进步

　　本文所述的某些 LED 是基于新一代的高亮度薄膜 LED 技术。传统 LED 的衬底通常采用碳化硅、蓝宝石或其他材料。这些衬底吸收了 LED 产生的一些光子，而降低了效率。在薄膜技术中，通过减少外延层的厚度，基本消除了晶片侧面发光，也降低了由于内部总反射而造成的损耗，从而将提取效率提高到超过 97%(图 2)。除光提取效率提高之外，薄膜 LED 还可在更小的发光面积内以更低的功耗产生两倍高的亮度。薄膜 InGaN LED 也被命名为 ThinGaN。

　　图2 传统晶片与薄膜 LED 晶片的比较

　　薄膜 LED 晶片的制造

　　薄膜 LED 晶圆采用与传统 AlInGaP 和 InGaN 晶圆同样的工艺制造，一个不同点就是在外延层下增加了牺牲层(图 3)。晶圆被翻转，粘在具有高反光镜面的锗载板上。然后，通过剥离，将原来的衬底去掉。剥离技术可采用化学或激光蚀刻法，这要看晶片用的是AlInGaP 还是InGaN材料。化合物晶圆采用传统的金属化工艺进行表面处理，然后被切成单个 LED 晶片并进行封装。所得到的晶粒的发光层厚度不超过 10 微米，没有侧面发光，效率非常高。

　　图3 薄膜LED工艺流程

　　重要的 LED 设计思考因素

　　* 良好的散热设计，以达到 LED 的最高效率。

　　* 优秀的光学设计，使光线高效地到达所需的位置。

　　* 适合的电子驱动电路，确保 LED 安全工作、高效且颜色控制准确。

　　散热设计

　　与传统光源相同，LED 所消耗的绝大多数多余的电能会转化为热能。但是，与将热量作为红外辐射发散的白炽灯与卤素灯光源不同，LED 散热的主要机制是传导。散热非常重要，因为 LED 光输出随着结温增高而降低(图 4)。

　　LED 的寿命在高结温长时间工作时也会缩短。因此，LED 灯设计中的散热管理要比白炽灯设计更加关键，从而保证光输出和产品寿命。

　　这意味着大功率 LED 不能设计为没有散热功能的独立工作型。表面贴装 LED 通常贴装在电路板上，每个阴极和阳极都有一个或多个连接。电路板上的电介质通常导热性较差。

　　图4 典型 AlInGaP LED 的光强随结温的变化

　　对于小功率 (<0.25W) LED，电气引线还具有导热这一额外用途。在此类 LED 中，当工作负荷循环较低时，贴在 PCB 上的金属铜便可提供所需的所有散热性能，特别是达到甚至超过了厂商推荐的焊盘尺寸时。

　　对于大功率 LED，供应商通常在封装底面直接安装一个散热垫，这样便可将散热垫连接到外部散热器。2-watt OSRAM GOLden DRAGON LED 就具有一个散热垫(图 5)，它可连接到外部散热器，最大限度提高导热性能。

　　图 5 欧司郎光电半导体的 Golden DRAGON LED 透视图和截面图，显示了散热垫

　　增加散热器的策略：为大功率 LED (<5W) 增加散热器的最常见方法是使用金属芯 PCB。

　　Golden DRAGON 的另一个散热示例是在PCB 上安装诸如 FR4 或柔性聚酰亚胺材料膜，这些膜与铝片连接。测试显示，通过用铜铆钉将散热垫与铝片连接，可实现的耐热等级 (0.6 K/W) 比没有铜铆钉 (9.5 K/W) 更好(图 6)。

　　图6 安装在柔性电路板和与铝散热垫连接的 Golden Dragon LED 的热剖面比较

　　这种方法比金属芯 PCB 成本更低，而且散热效率几乎相同;特别适合需要多个 LED 的用途，如 BMW 6 系的尾灯组件(图 7)。在连接有铝片的柔性电路板上安装 LED 的这种方法使得 3D 尾灯组件成为可能，这为汽车带来了非常突出的造型特点。另一方面，金属芯 PCB 通常在支持 3D 几何形状方面受到限制。

　　图7 BMW 6系尾灯组件

　　光学设计：LED 汽车大灯是一种具有严格规定的应用，它即要为驾驶者的视野提供足够的照明，同时又让对面汽车的驾驶者不感到晃眼。OSTAR 所开发大灯的 LED 模块采用 ThinGaN LED 技术。每个 OSTAR 模块具有 5个 1-mm ThinGaN 晶片，在 700 ma 下能发出总量大于 600 流明的光亮(图 8)。

　　在 GM Escalade Platinum(图 10)中，每个近光大灯使用了 5 个 OSTAR 模块，每个远光大灯使用了 2 个。

　　每个 OSTAR 模块还使用了特殊设计的玻璃投影透镜，因为白光 LED 所产生的能量足以使大多数透明塑料透镜材料退化(褐变)。

　　还使用了冷却风扇来防止大灯组件内热量升高，因为普通的对流不足以应付。 [1]

　　近光大灯的 5 个模块用于提供必要的弥散效果、颜色和亮度均匀性(图 9)。

　　图8 OSTAR大灯LED模块(左)以及所搭配的玻璃投影透镜(右)

　　图9 HID与LED发光的比较

　　图10 装有全LED大灯的Cadillac Escalade Platinum

　　电气设计：LED 是用电设备，亮度随正向电流而增加。同时，结温随电流的增加而升高，除非系统内有一个容量无限的散热器。随着温度升高，LED 二极管的正向电压下降(图 11)。因此，重要的是 LED 驱动电路应该能够防止 LED 进入热逸散状态。常见的解决方法是采用有源恒流驱动。现在市场中有很多 LED 驱动器，它们能给电路提供反馈来保持电流恒定，从而解决此类问题。简单的电阻偏压电路也广泛用于小功率设备。