车用LED照明技术

随着全球经济的发展和人民生活水平的提高，汽车在日常生活中的使用越来越多，因此汽车节能减排及行车安全的要求日益提高。汽车照明系统是保障汽车安全行驶的关键部件，光源又是汽车照明系统的关键。发光二极管(LED)作为第四代车用光源具有寿命长、能耗低、体积小、响应快、单色性好等诸多优点，顺应了未来汽车的安全、节能、紧凑、时尚的发展趋势。相信随着汽车工业的成熟以及LED 芯片、封装、散热等技术突飞猛进的发展，LED 在汽车照明系统中的应用会越来越广，规模会越来越大。

1 车用LED 照明的可行性和先进性

在汽车上使用照明光源大约开始于20 世纪初。最先使用的是煤油灯和乙炔灯，1910 年开始使用电光源，先后经历了白炽灯、卤钨灯及高强度放电式气体灯HID(Intensity Discharge Lamp)，自1985 年开始进入了LED车用灯时代。同时LED 灯应用于自适应前照系统AFS(Adaptive Front Lighting System)的技术随之出现。

目前，LED 已被众多汽车厂商加以利用制造出各种车灯款式。宝马、福特、本田、丰田、奔驰、奥迪等著名品牌车为了提高各自的总体竞争力，纷纷推出配有各式各样LED 车灯的新款轿车以吸引顾客。LED 具有很多其他光源所不具备的优点：

(1) 寿命长、抗震性好。LED 的使用寿命理论上可达5 万小时，实际寿命也可达2 万小时( 普通的卤素灯泡仅为150 ～500 小时左右)，一般都要超过汽车本身的寿命。另外，LED 的基本结构中没有易损可动部件，故抗震性能非常好。

(2)节能环保。LED在低电压小电流的条件下就能够获得足够亮度，其耗电量仅为相同亮度白炽灯的10%～20%;LED 光源中不含危害人体健康的汞，生产过程和废弃物不会造成环境污染。

(3) 响应速度快。与白炽灯相比，LED灯的响应时间已经达到了几十纳秒，这样，当采用LED 作为汽车尾灯时，可以使后续汽车司机更早反应，以减少交通事故的发生。

(4) 体积小。小巧的LED 可使汽车风格的设计更加自由、多样化，从而使车型更加时尚;与传统光源相比，LED 信号灯系统的安装深度可以减少80 mm，这一点对于汽车造型和内部零件布置具有重要意义。

目前汽车产业在全球经济中仍然是支柱产业，并处在飞速发展的关键时期，其必定会带动车用灯具的发，为LED 在汽车上的应用提供广阔的市场空间。

2 车用LED 照明的驱动电路

LED 属于电流控制型半导体器件，图1 是LED 的伏安特性曲线。由图1 可知，此曲线比较陡，在正向导通之前LED 几乎无电流流过;当正向电压超过开启电压时，电流就急剧上升，发光亮度L 与正向电流IF近似成正比：L=KIF，其中K 为比例系数，故可以通过控制LED 的IF来控制其发光亮度。因此，为了保证其亮度的一致性，通常采用恒流源驱动电路。

汽车电池工作电压范围为9 V～16 V，通常情况下为12 V ，但是当汽车冷启动时蓄电池的电压可跌落到4 V，而当蓄电池缺损由发电机直接供电时，此电压可达到36 V 的高压。因此，对于车用LED 灯具而言，要可靠地恒流驱动LED 串， 驱动控制器必须具备精确的电压和电流调节、保护电路和调光功能。因此，设计一种稳压性能良好而又恒流输出的驱动电路十分必要。

目前车用LED驱动器一般采用两种方法控制正向电流。(1)采用LED 的V-I 曲线确定产生预期正向电流所需要向LED 施加的电压。其缺点为：LED 正向电压的任何变化都会导致LED 电流的变化，其中的镇流电阻的压降和功耗会浪费功率和降低电池使用寿命。(2)利用恒流源来驱动LED。因为此方法需要将LED 并联在电路中，而驱动并联LED 需要在每个LED 串中放置一个镇流电阻，这会导致效率降低和电流失配。因此，这两种方法都不能充分体现LED 应有的优越性。为了克服现有车用LED 驱动器的缺点， 出现了车用LED 阵列的高效智能驱动方法。该方法采用了半桥式DC-DC 变换技术、全波整流技术、光电耦合技术等，确保了整个驱动电路的工作效率;提出了基于嵌入式系统的智能控制方案，此方案采用智能PWM 稳流控制和调光控制， 具有负载开路/短路保护和过流过压保护功能。图2 为LED阵列智能驱动实验电路。

如图2 所示，CPU 输出两路完全倒相对称的PWM信号A、B，分别作用在开关器件上，使其轮流导通;通过高频变压器T将能量耦合到次级，再经快恢复二极管D1、D2 进行全波整流，以实现对LED 阵列的驱动。LED阵列驱动回路的光电耦合器，完成对LED 阵列驱动电流的监测，并反馈到CPU，形成一种智能电流负反馈的闭环控制系统，以确保驱动电流的稳定的可靠性。

车用LED 驱动电路的集成化和智能化程度越来越高。类似PMU( 电源管理单元)的芯片及封装的小型化将逐渐取代多个单一功能电路进行组合的方法，以适应板级空间非常有限的车载应用。同时，由于单片机、DSP 等控制芯片以及嵌入式技术的不断发展，可通过软件技术实现车用照明系统的自动化， 这样LED 的恒流驱动精度以及亮度的自动调节会更加准确。智能化控制已经成为新一代车用LED 驱动器的设计理念。

3 汽车LED 前照灯

由于汽车前照灯在行车安全中具有重要的作用，因此LED 前照灯是最难也是最后投入使用的。以前，LED前照灯只应用在概念车上，随着LED照明技术以及汽车产业的不断发展，LED 前照灯的应用范围已从概念车、豪华车向中档车甚至一般车型过渡，并且照明发光强度已达到白炽灯的水平。

汽车前照灯包括远光灯和近光灯。在夜间行驶时，远光灯应保证照亮车前100 m、高2 m 处范围内的物体，且亮度均匀;近光灯不但要保证车前40 m 司机能看清障碍物，而且不能让迎面而来的驾驶员或行人产生眩光，以确保汽车在夜间交会车行驶时的安全。

传统汽车前照灯输出近光和远光两种功能的光束，且每种光束分布模式均呈静态分布，具体的光照分布也都符合国家标准。但在实际应用中，此系统射出的光束分布于有限的角度范围，在一些较为复杂的路况下(如转弯)极易产生视觉盲区。另外，传统汽车前照明系统不具备自动调整光束分布的功能，近光光束和远光光束之间的变换需驾驶员手动操作实现，这样在来往车辆频繁的行车环境下，车辆之间容易产生眩目光。为了克服传统汽车前照灯的上述缺点，自适应前照系统AFS 应运而生。

AFS 是一种能使驾驶员更好地适应各种速度、道路类型和天气条件的变化，提高驾驶安全性的前照灯系统。其工作原理如下：当汽车进入特殊的道路状况(如弯道)时，由于方向盘和速度发生变化，角度传感器和速度传感器传输到电控单元(ECU)的信号就相应发生了变化。ECU 捕捉到这些信号变化，同时判断车辆进入了哪种弯道，并发出相应的指令给前照灯的控制单元，控制单元根据收到的指令操控装在AFS 灯体内部的微电机带动发光三要素绕相应的旋转轴旋转， 从而在非常规路面及天气下行驶时， 改变照明方式，提供更好的安全保障。

随着白光LED技术的发展及空气动力学和汽车造型的需求，汽车前部位置越来越低且呈流线型， 为前照灯预留的空间越来越小。为了满足汽车照明智能化和人性化的需求，AFS 与LED 灯的结合已经成为现代汽车前照灯的发展趋势。

4 车用LED 照明面临的问题及应对措施