随着电子学于汽车应用方面的复杂性提高之后,人们也越来越要求更有效率的操作方式。此现象在照明的应用上尤其明显。近年来,发光二极管(LED)是许多汽车外部照明的首选,特别是在讯号应用方面。而随着科技不断进步,LED也设计作为内部照明之用。虽然大多用于CHMSL(第三煞车灯)及后车灯/方向灯/车尾灯,但随着照明效能(每瓦的流明)及热能特性,尤其在热阻系数(?JC)方面的提升,LED仍持续在其他外部应用方面占有一席之地。
LED 优于传统白炽照明的特性如下:
- 亮灯时间更快,驾驶者可善用驾驶时间并控制驾驶间的距离,减少车后擦撞的事故(汽车意外发生率排名第二);
- 提升效率,减少能源耗损;
- 防震且防电击;
- 使用寿命较长。
近年来,在豪华轿车的车灯上,车厂逐渐采用高压气体放电灯(HID)取代白炽灯。只要在夜间的高速公路上,透过后照镜一看,便可了解其普遍性。HID 灯是具有高度整流的复杂负阻抗负载。但电磁兼容性是一个问题,且最新的整流是以微处理器控制。LED车灯较为简单可靠。一旦照明效能超过每瓦80流明,主要的问题便在于如何自半导体接面散热。
LED的物理及构造
LED为半导体二极管,且属于电致发光照明。如(图一)所示,当半导体的电荷载子对与产生光的能量频沟重新结合时,便会产生此机制。LED产生窄频放射,其波长则由半导体的能量频带决定。发射白光的LED可混合数种不同颜色的芯片,在一般的LED室内产生白色灯光,或使用磷光体降频器,将蓝色/紫色灯光转换成白色灯光,这些过程于(图二)中说明。
顺向电流与接面温度决定了LED的光线输出强度。LED接面的温度越高,光线输出便会减弱,顺向电压降减弱,则光线输出的主要波长便会增加。LED是非线性的装置,因此穿过LED的顺向电流必须由电阻器限制,或由稳定的电源供电。同一批次的LED也会抑制相同电流的各种顺向电压降。LED亮度转弱时,建议进行脉冲宽度调节,因为光线放射的波长是会随顺向电流改变的。LED不亮的两个主要原因为顺向电流过高,或接面温度过高。顺向电流过高会导致不放射的热点及复合区,进而降低光线输出。若温度超过外覆树脂的玻璃软化温度,则会导致严重的错误。(图三)说明了顺向电流与周围温度变化对光线强度所产生的影响。
《图三 顺向电流与周围温度变化对光线强度所产生的影响》 |
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LED Application Considerations
若在电流稳压器中使用增压转换器,则应该特别注意,以免电流转换时,产生负载电压过大的情况。在刚开始慢慢增加脉冲宽度时,一旦突破任一启用的临界点,便会产生此情况。然而若使用滤波电容器,则当输出过大并回流至调节频带时,并无法避免该电容器停止共振电荷,但可避免电压过大。当LED串取代分配器链中的上方电阻时,便会引发稳定性问题。文献[1]即建议使用高侧差动电流感应解决此问题,并缩小与远程显示器的交互连接数量。在(图四)中,R1表示电流感应电阻或分流器,与二极管相接的Q2对节点1的电压进行水平位移,并将其运用至Q1的基面。这些晶体管都在同一个管芯上,并在以相同电流运作时提供相近于VBE的电压。由于VBE值相符,Q1的发射体的电压便与节点1相同。因此,电阻R2中的电压与R1中的电压降相符,并产生与VR1/R2相等的Q1发射体电流。此电流流至Q1的控制器,并在R3中形成电压降。增压稳压器以IC的参考电压调整R3中的电压。R4则提供Q2的电流偏压。若R1中的电压少于250mV,为了提升效能起见,应将R4设定为最小VBE失配,以使Q1和Q2中的控制器电流相符。
(图五)显示使用减压稳压器的停车/后车灯。LM5007为迟滞稳压器,内有80V、0.7A DMOS的电源开关。在此稳压器中,其高侧电源开关的开启时间与输入电压成反比;这是一项顺向馈电的配置,可使开关的频率几乎保持一致的输入电压。LM555定时器则配置为稳定多阶震荡器,可降低后车灯功能的控制周期。踩煞车时即停用稳定多阶震荡器,电流便会流入LED串(在图中以单一装置显示)。LM321则扩大LED与电阻中所产生的电流感应讯号,并提高动力系统的效能。
(图六)显示高电压增压转换器如何开启仪表板背光灯中的20颗LED白灯。这说明了LED串中的一般电压大于70V时,白光LED的高顺向电压降情形。LM5000是开关稳压器,最适于单一端点的拓扑(稳压、回扫和顺向)。此为电流模式稳压器,可简化循环补偿。其控制和驱动电路的输入范围为3.1至40V,符合信息系统和遥测技术的需求。若为65V的载荷倾卸需求,则在模拟电源输入上将需要偏压的电源稳压器或接线,此类装置目前由Rf和Cf过滤。使用增压拓扑时所应注意的情况为,延伸控制周期可能停顿。最理想的增压稳压器增益特质应为无线大的控制周期,在实际情况中,耗损会于较高的控制周期介入(一般大于 90%),推挤(Vo/Vin与控制周期的)增益曲线。若增压稳压器超过瞬时期间、其增益推挤的控制周期或供应轨,便可能发生停顿现象。加入最大控制周期接线,并舒缓循序启动便可避免发生此错误。
结论
固态光源在汽车应用方面展现出无限潜能。下一个目标便是朝照明效能以及如何节省高温时的耗电量努力。另一项挑战则是制作符合SAE及ECE光束模式标准的LED照明。LED所具备的一项重大优势为LED灯总成的投影零件深度较传统解决方案低1/4。欧洲及日系汽车制造商于最近的车展中宣布使用白光LED车灯,并运用于概念车款中。半导体厂商对这片新市场皆感到跃跃欲试。
(作者Paul Greenland为NS电源管理产品营销主任,Werner Berns为NS电源管理产品产品营销经理)
<参考数据:参考文献:
[1] Dimitry Goder (2004) Scheme provides high-side current sensing for White-LED drivers. EDN.
[2] Michele Huang (2002). LED Technology and Applications. Osram Opto-Semiconductors
[3] John F. Derlofske, M. M. (2002). White LED Sources for Vehicle Lighting. SPIE.
[4] Kenneth R. Spring, T. J. F., Michael W. Davidson (2004). Introduction to Light Emitting Diodes, Molecular expressions.
[5] N. Narendran, L. D., R.M. Pysar, Y. Gu, H. Yu (2003). Performance Characteristics of High Power Light-Emitting Diodes. SPIE.
[6] Peter, J. (2003). Forward March: LED-powered headlights are just over the horizon. Automotive Industries.>
[2] D.A. Smolyansky, Time Domain Network Analysis:Getting S-parameters from TDR/T Measurements - Infiniband PlugFest, 2004> |
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