汽車LED照明解決方案的挑戰(zhàn)和應(yīng)對
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許多早期的汽車電子系統(tǒng)屬于定制型產(chǎn)品，不但非常復(fù)雜而且成本高昂，即便是最新的設(shè)計也無法滿足不同供應(yīng)商(一級供應(yīng)商)和汽車制造商的廣泛需求。
本文旨在探討LED照明系統(tǒng)中的這一重要元件，指出在開發(fā)LED外燈驅(qū)動電子架構(gòu)時需要考慮的因素。文章將簡要說明在汽車外部照明應(yīng)用中使用LED燈的原因(如使用壽命長、功耗低)，同時討論在這些應(yīng)用中引入LED燈所面臨的挑戰(zhàn)，其中包括行業(yè)要求(AEC-Q100)和功能要求。
在此基礎(chǔ)上，我們將深入研究這些應(yīng)用要求對電子器件的影響，以便充分挖掘LED燈的巨大潛力。我們將提出一種通用型LED照明系統(tǒng)架構(gòu)，同時列出電子控制裝置所要求的特性。這些特性包括LED散熱管理、靈活地驅(qū)動不同LED配置以及具有成本優(yōu)勢的系統(tǒng)設(shè)計等。
文章最后將提出一種完全集成、靈活的汽車LED驅(qū)動IC解決方案，不但能滿足汽車外部照明應(yīng)用的各種要求，同時還能克服現(xiàn)有電子器件設(shè)計存在的諸多不足。
發(fā)光二極管(LED)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已超過15年。過去，可提供的色彩和功率水平將LED的應(yīng)用限制在儀表板、內(nèi)部燈飾和一些低功耗的尾燈混合照明功能。但近年來，隨著LED性能的不斷提升，LED逐漸在一些前部車外照明應(yīng)用中得到使用，如日間行駛燈和頭燈。
LED燈在這些汽車前部照明應(yīng)用中得到日益廣泛的使用，其主要原因在于：相對于常規(guī)白熾燈或高亮度放電(HID)燈，LED燈在款式和設(shè)計方面具有獨到的優(yōu)勢，近期則更是得益于低功耗這一特性。
但是，同樣重要的是隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)可以提供更高的功率水平和更寬的色域。目前，在汽車前部照明應(yīng)用中，LED燈的性能已不亞于白熾燈。
為什么在汽車照明中采用LED？
對于汽車制造商來說，款式上的優(yōu)勢仍然是使用LED燈的主要原因之一。顯然，汽車制造商看到了進(jìn)一步鞏固其汽車品牌的機會。已有多種照明設(shè)計從LED燈提供的更大設(shè)計自由度中受益。較為著名的早期案例包括奧迪A8/A6。
不過，關(guān)注點正在向LED燈對汽車照明應(yīng)用帶來的其他優(yōu)勢上轉(zhuǎn)移。其中包括更低的功耗、更長的使用壽命和更快的啟動時間。
密歇根大學(xué)運輸研究學(xué)院(UMTRI)在2008年發(fā)布了一份報告，評估了常規(guī)白熾燈和LED解決方案在白天行駛照明功能的能耗水平。他們發(fā)現(xiàn)，對于等效功能，LED解決方案的能耗水平要低50%(23W對46W)。這種節(jié)省可以直接轉(zhuǎn)換成燃油效率，同時還能使客車的二氧化碳排放量減少50%。
對于準(zhǔn)備開發(fā)全電動汽車的汽車制造商來說，這種燃油效率十分重要。而對于消費者來說，一個重要的購買標(biāo)準(zhǔn)是電動汽車在充滿電的情況下能行駛的距離。為此，汽車制造商們正在尋找適當(dāng)?shù)姆绞?，以改善各種功能的能耗水平，從而提高汽車的續(xù)航能力。LED燈顯然具有極大的節(jié)能優(yōu)勢，因而日益成為照明設(shè)計工程師們的自然選擇。
另一個對LED效率的提升以及LED在汽車照明應(yīng)用領(lǐng)域的滲透做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)的重要因素是LED的照明效率，即每瓦特的流明(lm/W)。該指標(biāo)衡量的是LED燈每消耗一瓦特能量所產(chǎn)生的光輸出量。該值越高，LED將輸入功率轉(zhuǎn)換為光輸出的效率就越高。如今的高亮度LED燈能實現(xiàn)100-150lm/W的照明效率，而一只60W白熾燈僅為10-18lm/W。
這項指標(biāo)的改進(jìn)極大地擴大了LED燈的應(yīng)用范圍，并拓展到完全以LED燈為基礎(chǔ)的汽車前部照明系統(tǒng)之中。尤其是完全以LED為基礎(chǔ)的大燈，其中包括遠(yuǎn)光和近光調(diào)整等功能。下一節(jié)將介紹在汽車應(yīng)用中使用LED燈所面臨的部分挑戰(zhàn)。
LED在汽車應(yīng)用領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)
汽車環(huán)境為LED帶來了巨大的挑戰(zhàn)，LED必須能提供穩(wěn)定的光輸出，即使大燈周圍的電氣條件和散熱條件不斷變化，燈光的通量和色點也必須保持恒定。
由于LED的光輸出與應(yīng)用于LED的電流成比例，同時，LED采用的是擴散式生產(chǎn)工藝，因此即使是同一批次的產(chǎn)品，也可能在驅(qū)動電流相同的情況下，其光輸出存在差異。為了避免這種不利差異，往往根據(jù)某些參數(shù)(如正向電壓、通量輸出)來選擇LED(也稱"篩選")。通過篩選，可以確保同一批次的LED在光輸出和色點方面更加一致。
LED還必須保證在-40℃至+125℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，光輸出達(dá)到具體應(yīng)用的最低法定光通量要求。頭燈的光通量需要達(dá)到1,000流明左右，并能在工作溫度范圍內(nèi)提供要求的最低光輸出。
為了達(dá)到這種光通量要求，可能要將數(shù)個LED串聯(lián)或并聯(lián)起來。將多個高亮度LED燈集合到一起同時對散熱管理提出了很高的要求，因為隨著LED溫度的升高，LED的光輸出會大幅下降，色點會發(fā)生偏移。因此，LED在產(chǎn)生這種量級的光的過程中散發(fā)的熱量必須通過散熱器傳導(dǎo)出去。在一些極端情況下，可能需要降低LED的驅(qū)動電流，以避免LED過熱和損毀。
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