摘  要： 隨著汽車工業的快速發展，對汽車節能減排及安全性能的要求越來越高，汽車照明系統的節能與安全問題已成為該領域研究的熱點。作為第四代車用光源，LED有很多優于其他傳統光源的特點。為此分析了車用LED照明的可行性和先進性，介紹了其典型的驅動電路，并著重研究了LED以及AFS在汽車前照燈上應用現狀。介紹了車用LED照明面臨的問題及應對措施，并對其未來發展進行了展望。
關鍵詞： 車用LED；驅動電路；前照燈；自適應前照系統

    隨著全球經濟的發展和人民生活水平的提高，汽車在日常生活中的使用越來越多，因此汽車節能減排及行車安全的要求日益提高。汽車照明系統是保障汽車安全行駛的關鍵部件，光源又是汽車照明系統的關鍵。發光二極管(LED)作為第四代車用光源具有壽命長、能耗低、體積小、響應快、單色性好等諸多優點，順應了未來汽車的安全、節能、緊湊、時尚的發展趨勢。相信隨著汽車工業的成熟以及LED芯片、封裝、散熱等技術突飛猛進的發展，LED在汽車照明系統中的應用會越來越廣，規模會越來越大。
1 車用LED照明的可行性和先進性
    在汽車上使用照明光源大約開始于20世紀初。最先使用的是煤油燈和乙炔燈，1910年開始使用電光源，先后經歷了白熾燈、鹵鎢燈及高強度放電式氣體燈HID(Intensity Discharge Lamp)，自1985年開始進入了LED車用燈時代。同時LED燈應用于自適應前照系統AFS(Adaptive Front Lighting System)的技術隨之出現[1-2]。
    目前，LED已被眾多汽車廠商加以利用制造出各種車燈款式。寶馬、福特、本田、豐田、奔馳、奧迪等著名品牌車為了提高各自的總體競爭力，紛紛推出配有各式各樣LED車燈的新款轎車以吸引顧客。LED具有很多其他光源所不具備的優點：(1)壽命長、抗震性好。LED的使用壽命理論上可達5萬小時，實際壽命也可達2萬小時(普通的鹵素燈泡僅為150～500小時左右)[3]，一般都要超過汽車本身的壽命。另外，LED的基本結構中沒有易損可動部件，故抗震性能非常好。(2)節能環保。LED在低電壓小電流的條件下就能夠獲得足夠亮度，其耗電量僅為相同亮度白熾燈的10%～20%[4]；LED光源中不含危害人體健康的汞，生產過程和廢棄物不會造成環境污染。(3)響應速度快。與白熾燈相比，LED燈的響應時間已經達到了幾十納秒[5]，這樣，當采用LED作為汽車尾燈時，可以使后續汽車司機更早反應，以減少交通事故的發生。(4)體積小。小巧的LED可使汽車風格的設計更加自由、多樣化，從而使車型更加時尚；與傳統光源相比，LED信號燈系統的安裝深度可以減少80 mm[6]，這一點對于汽車造型和內部零件布置具有重要意義 。
    目前汽車產業在全球經濟中仍然是支柱產業，并處在飛速發展的關鍵時期，其必定會帶動車用燈具的發展，為LED在汽車上的應用提供廣闊的市場空間。
2 車用LED照明的驅動電路
    LED屬于電流控制型半導體器件，圖1是LED的伏安特性曲線。由圖1可知，此曲線比較陡，在正向導通之前LED幾乎無電流流過；當正向電壓超過開啟電壓時，電流就急劇上升，發光亮度L與正向電流IF近似成正比：L=KIF，其中K為比例系數，故可以通過控制LED的IF來控制其發光亮度[7-8]。因此，為了保證其亮度的一致性，通常采用恒流源驅動電路。

    汽車電池工作電壓范圍為9 V～16 V，通常情況下為12 V，但是當汽車冷啟動時蓄電池的電壓可跌落到4 V，而當蓄電池缺損由發電機直接供電時，此電壓可達到36 V的高壓。因此，對于車用LED燈具而言，要可靠地恒流驅動LED串，驅動控制器必須具備精確的電壓和電流調節、保護電路和調光功能。因此，設計一種穩壓性能良好而又恒流輸出的驅動電路十分必要。
目前車用LED驅動器一般采用兩種方法控制正向電流。(1)采用LED的V-I曲線確定產生預期正向電流所需要向LED施加的電壓。其缺點為：LED正向電壓的任何變化都會導致LED電流的變化，其中的鎮流電阻的壓降和功耗會浪費功率和降低電池使用壽命。(2)利用恒流源來驅動LED。因為此方法需要將LED并聯在電路中，而驅動并聯LED需要在每個LED串中放置一個鎮流電阻，這會導致效率降低和電流失配。因此，這兩種方法都不能充分體現LED應有的優越性。為了克服現有車用LED驅動器的缺點，出現了車用LED陣列的高效智能驅動方法。該方法采用了半橋式DC-DC變換技術、全波整流技術、光電耦合技術等，確保了整個驅動電路的工作效率；提出了基于嵌入式系統的智能控制方案，此方案采用智能PWM穩流控制和調光控制，具有負載開路/短路保護和過流過壓保護功能[9-10]。圖2為LED陣列智能驅動實驗電路。
    如圖2所示，CPU輸出兩路完全倒相對稱的PWM信號A、B，分別作用在開關器件上，使其輪流導通；通過高頻變壓器T將能量耦合到次級，再經快恢復二極管D1、D2進行全波整流，以實現對LED陣列的驅動。LED陣列驅動回路的光電耦合器，完成對LED陣列驅動電流的監測，并反饋到CPU，形成一種智能電流負反饋的閉環控制系統，以確保驅動電流的穩定的可靠性。

    車用LED驅動電路的集成化和智能化程度越來越高。類似PMU(電源管理單元)的芯片及封裝的小型化將逐漸取代多個單一功能電路進行組合的方法，以適應板級空間非常有限的車載應用。同時，由于單片機、DSP等控制芯片以及嵌入式技術的不斷發展，可通過軟件技術實現車用照明系統的自動化，這樣LED的恒流驅動精度以及亮度的自動調節會更加準確。智能化控制已經成為新一代車用LED驅動器的設計理念[11]。
3 汽車LED前照燈
    由于汽車前照燈在行車安全中具有重要的作用，因此LED前照燈是最難也是最后投入使用的。以前，LED前照燈只應用在概念車上，隨著LED照明技術以及汽車產業的不斷發展，LED前照燈的應用范圍已從概念車、豪華車向中檔車甚至一般車型過渡，并且照明發光強度已達到白熾燈的水平。
    汽車前照燈包括遠光燈和近光燈。在夜間行駛時，遠光燈應保證照亮車前100 m、高2 m處范圍內的物體，且亮度均勻；近光燈不但要保證車前40 m司機能看清障礙物，而且不能讓迎面而來的駕駛員或行人產生眩光，以確保汽車在夜間交會車行駛時的安全[12]。
    傳統汽車前照燈輸出近光和遠光兩種功能的光束，且每種光束分布模式均呈靜態分布，具體的光照分布也都符合國家標準[12]。但在實際應用中，此系統射出的光束分布于有限的角度范圍，在一些較為復雜的路況下(如轉彎)極易產生視覺盲區。另外，傳統汽車前照明系統不具備自動調整光束分布的功能，近光光束和遠光光束之間的變換需駕駛員手動操作實現，這樣在來往車輛頻繁的行車環境下，車輛之間容易產生眩目光。為了克服傳統汽車前照燈的上述缺點，自適應前照系統AFS應運而生[12]。
     AFS是一種能使駕駛員更好地適應各種速度、道路類型和天氣條件的變化，提高駕駛安全性的前照燈系統。其工作原理如下：當汽車進入特殊的道路狀況(如彎道)時，由于方向盤和速度發生變化，角度傳感器和速度傳感器傳輸到電控單元(ECU)的信號就相應發生了變化。ECU捕捉到這些信號變化，同時判斷車輛進入了哪種彎道，并發出相應的指令給前照燈的控制單元，控制單元根據收到的指令操控裝在AFS燈體內部的微電機帶動發光三要素繞相應的旋轉軸旋轉，從而在非常規路面及天氣下行駛時，改變照明方式，提供更好的安全保障[13-17]。
    隨著白光LED技術的發展及空氣動力學和汽車造型的需求，汽車前部位置越來越低且呈流線型，為前照燈預留的空間越來越小。為了滿足汽車照明智能化和人性化的需求，AFS與LED燈的結合已經成為現代汽車前照燈的發展趨勢。
4 車用LED照明面臨的問題及應對措施
    車用LED照明技術作為一項具有突破性意義的新技術，已經被大多數的汽車制造商以及消費者所接受，越來越多的高檔汽車都配備了LED燈。但由于汽車應用環境的特殊要求，要真正實現車用LED代替傳統光源，還有很多技術難題需要解決。
    (1)成本問題
    全球范圍內，車用LED生產成本的下降速度將是影響今后車用LED大規模應用的主要因素之一。就元件本身而言，LED燈的價格普遍高于其他傳統光源。如：1 W大功率白光LED的市場價格約是白熾燈的十幾倍到幾十倍不等，故LED芯片還有很大的降價空間，其主要途徑為：①發展大芯片大電流。現在的芯片一般在0.5 mm~1.5 mm之間，芯片小，電流難以加大，這是LED向單顆大功率發展的障礙。如果在不降低光效的前提下把芯片做大以便通過更大的電流，大幅提高單顆LED的功率，這樣燈具所用的LED數量將明顯減少，有助于燈具成本的下降。②研發新型襯底材料。現在國內已經啟動了價格比較便宜的Si襯底材料的研究，希望能代替價格昂貴的藍寶石或SiC。除價格便宜外，Si還可以制作出比藍寶石或SiC襯底尺寸更大的襯底，以提高MOCVD的利用率，從而提高管芯產率[18]。此外，由于Si的硬度比藍寶石和SiC低，在加工方面也可以節省成本。據國外某知名公司的估計，使用硅襯底制作藍光GaN LED的制造成本將比藍寶石和SiC襯底低90%。③繼續延長LED的壽命。理論上，LED的壽命已經超過汽車使用壽命，但在實際汽車環境應用中，LED使用壽命還有待進一步提高。如果LED實際使用壽命能達到整車的壽命，則在汽車壽命期內無需更換光源，免去了這方面的維修費用，就會更加經濟。
    就整個車用LED照明系統而言，必須降低LED驅動方案的系統級成本，以提高該項技術的市場競爭力。降低方案成本的途徑之一是盡可能減少驅動器的元器件數量，同時這也有利于提高系統可靠性，因為PCB上的每個元件都可能是系統的一個失效點。
    (2)散熱問題
    通常高功率LED輸入功率約20%轉換成光能，剩下的80%均轉換為熱能，這比傳統燈源高很多。如果這部分熱能無法導出，將會使LED界面溫度過高，進而影響產品生命周期、發光效率及穩定性，由此整個汽車照明系統就會受到嚴重影響[19]。目前改善車用LED燈具散熱的主要途徑：①LED自身的改進。首先，改進封裝結構。傳統直插式LED封裝結構熱阻高達250℃/W～300℃/W，而新的封裝結構采用低電阻率、高導熱性能的材料粘結芯片，在芯片下部加銅或鋁質熱沉，并采用半包封結構，大大提高了LED的散熱能力[20-21]。其次，改進LED的制作材料，采用超薄、高導熱、高絕緣陶瓷薄片作基底，提高散熱效果；開發量子轉換效率高、能承受高溫的熒光粉，提高允許的最大結點溫度，增大允許的散熱設計溫差，以降低散熱設計的難度。②散熱裝置的改進。主要有：考慮采用合適的散熱形式，如熱管、風扇、水冷等，要保證將熱量迅速地散發出去，同時散熱裝置能夠穩定地工作[22-23]；考慮散熱片的結構形狀尺寸，要保證足夠的散熱面積，同時散熱效果要好；考慮電路板的設計格式，可將印制電路板設計為上下兩層，下層專用于信號發生電路及驅動電路，上層為LED點陣電路，這樣能夠有效地避免因為LED的熱量傳遞到驅動芯片而使其損壞。
    (3)光效問題
    提升LED光效是車用LED技術發展的關鍵，是車用LED產業化的出發點和原動力。從封裝技術上來說，LED的封裝應該盡量減少光線在其內部的全反射，增加襯底基板反射率，從而使光線能夠盡量多地透射出來，增加LED的發光效能。今年2月，Cree公司已經宣布其實驗室成果LED光效已經達到2 081 m/W，相信這不是極限，還會有更高的提升空間，但需要有新的技術突破。
    (4)電磁干擾問題
    汽車環境下同樣面臨電磁干擾問題EMI(Electro Magnetic Interference)。車載電子產品對噪聲很敏感，尤其是導航系統、無線電路和AM無線電波段接收機。為了最大限度地降低發生噪聲干擾的可能性，有些LED驅動器IC中采用了恒定頻率開關拓撲結構。另外，用戶還可在200 kHz~2 MHz的范圍內設置開關頻率，以使開關噪聲遠離關鍵頻段(如AM無線電波段)。
5 車用LED照明市場展望
    LED在汽車照明系統中的應用雖然剛剛起步，但隨著半導體照明技術和汽車工業的飛速發展，車用LED燈具的總體效率以及性價比將會得到很大的提高，應用規模將會逐漸擴大，并最終占據整個汽車車燈市場。
據調查，目前全球車內應用的LED年銷售額大約在5億到6億歐元，在汽車內部，如汽車儀表盤、車內收音機、開關等已經100%采用LED，并且這一趨勢正在加速從車內應用向車外應用。此外，近期歐盟委員會宣布，從2011年起，歐盟所有新生產轎車必須配置“白天駕駛自動照明系統”。與此同時，歐盟委員會已經批準奧迪和豐田將LED作為照明車燈在汽車上使用。由此可見，車用LED燈具在全球范圍內具有極大的市場潛力。
    車用LED照明技術也得到我國政府的大力支持。2010年1月，全國半導體照明電子行業標準發布及宣貫大會在廣東江門市發布了LED行業第一批國家標準，這標志著我國LED產業發展開始進入標準化時代[24]。復旦大學教授、半導體物理專家方志烈說，2009年我國LED應用產品產值已經超過600億元，全行業進入利潤自主創新、實現跨越式發展的重大歷史機遇，2015年產業規模有望達到5 000億元[25]。因此在我國LED將面臨巨大的發展機遇，同樣車用LED照明技術也會得到高速發展，科研、生產和商家對此都會給與高度關注。
    車用LED燈具以其卓越的可靠性、環保性、節能性和時尚性，為汽車車燈的升級和變革注入了新生力量。隨著產品成本的降低、生產技術的完善以及資金規模的擴大，車用LED照明技術的發展必將對汽車的行駛和安全提供更有力的保障，汽車燈具的LED化必將成為汽車照明系統發展史上的轉折點。
參考文獻
[1] KARSTEN E. LEDs in automotive lighting[C]. SPICE， 2006.
[2] 黃瑩，劉錚.LED技術及其在車燈系統中的應用[J].上 海汽車，2009，12(1)：28-31.
[3] WINDER S. Power supplies for LED driving[M]. Elsevier Inc. 2008.
[4] NARENDRAN N， Gu Y M. Life of LED-based white light source [J]. IEEE J. Display Technol.， 2005，1(1)：167-171.
[5] 譚功偉.發光二極管(LED)在汽車燈具上的應用[J].光源與照明，2009(2)：5-7.
[6] FU Xiao Yuan， LIU xiao Jian， WU Yan. Research and analysis of the design development and perspective technology for LED lighting[J]. Computer-Aided Industrial Design & Conceptual Design， 2009. CAID & CD2009. IEEE 10th International Conference on. 2009：1330-1334.
[7] 羅靜華.半導體照明驅動技術的應用與展望[J].電子元器件應用，2010，12(2)：85-87.
[8] LIU Yu， YANG Jin Ming. The topologies of white LED lamp′s power drivers [J]. Power Electronics Systems and Applications， 2009 PESA 2009. 3rd International Conference on. 2009：1-6.
[9] 李建華.車用LED控制技術探討[J].應用科學，2009(16).
[10] CHANG Liang Chen， LEE Da Sheng， CHEN Ping Hei. A novel LED driving circuits development for decorative lighting system energy saving[J]. Microsystems， Packaging， Assembly and Circuit Technology Conference， 2009， IMPACT 2009. 4th International. 2009：734-737.
[11] Wing Yan Leung， Tsz Yin Man， Mansun Chan.A high-power-LED driver with power-efficient LED-urrent sensing circuit [J]. Solid-State Circuits Conference， 2008. ESSCIRC 2008. 34th European. 2008：354-357.
[12] 吳仍茂.自適應前照系統(AFS)中的LED前照燈設計[D].上海：上海大學，2009.
[13] XU Ping Ping， SONG Jia Gou， SHEN Guang Di. The design on Adaptive Front Lighting System (AFS) based on brushless DC motor [J]. Electrical Machines and Systems.2008. ICEMS 2008. International Conference on. 2008：17-20.
[14] RONG Hui， GONG Jin Feng， WANG Wu Lin. Kinematics model and control strategy of adaptive front lighting system [J]. Proceedings of the 2009 Second International Conference on Intelligent Computation Technolog yand Automation. 2009：70-74.
[15] CHAN C K， CHENG K W E， HO S L， et al. Development of electric vehicle with advanced lighting system and all electric drive [J]. Power Electronics System sand Application， 2009. PESA 2009. 3rd International Conference on. 2009：1-8.
[16] 房旭，姚勇，劉軍，等。智能汽車前照燈系統(AFS)研究[J].汽車技術，2006(4)：17-20.
[17] HUANG Ming Shyan， HUNG Chuan Cheng， FANG Yi Chin. Optical design and optimization of light emitting diode automotive head light with digital micromirror device light emitting diode [J].Optik-International Journal for light and Electron Optics， 2010， 121(10)：944-952.
[18] WANG Jian， HUANG Xian， LIU Li， et al. Effect of temperature and current on LED luminous efficiency [J].Chin. J. Lumin， 2008， 29(2)： 358-362.
[19] 馮華云，孟慶恩.LED汽車前照燈散熱研究現狀[J].燈與照明，2009，33(4)：41-43.
[20] Donahoe D N. Thermal aspects of LED automotive headlights[J]. Vehicle Power and PropulsionConference，2009. VPP0′9. IEEE. 2009： 1193-1199
[21]  CHEN Huanting， LU Yi Jun， GAO Yu Lin， et al. The performance of compact thermal models for LED package[J]. Thermochimica Acta. 2009， 488(1-2)： 33-38
[22] LU Xiang You， LIU Mei Jing， CHENG Yuan Xia. Thermal analysis of loop heat piple used for high-power LED [J]. Thermochimica Acta， 2009， 493(1-2)： 25-29.
[23] LAI Yan， CORDERO N， BARTHEL F， et al. Liquid cooling of bright LEDs automotive applications[J]. Applied Thermal Engineering， 2009， 29(5-6)： 1239-1244.
[24] 艾賢.LED首批國家標準在廣東發布[N].廣東科技報，2010-1-29(002)科技要聞.
[25] 劉剛，孟華.專家：LED產業需高起點理性發展[N].中國高新技術產業導報，2010-3-29(C07)光電子.