汽车照明系统——飞速普及的LED

电子发烧友网报道（文/李宁远）汽车的照明灯在过去常常选择卤素灯，而近几年来，整车LED的应用开始快速增长。传统卤素灯的寿命仅500小时左右，而目前主流LED前照灯的寿命高达25000小时左右。寿命长这一优点几乎让LED车灯可以覆盖车辆的整个生命周期。
 
汽车前照明大灯、转向灯、尾灯、内饰灯等等外部、内部车灯应用，都开始使用LED光源进行设计组合。不只是汽车照明系统，从消费电子产品到工厂自动化设备的照明系统，这些照明系统里的LED设计越来越多样化，而且高度集成，这一特点在汽车照明系统里体现得尤为突出。
 

 
LED在汽车照明系统里的迅猛增长
 
LED作为照明光源不仅寿命更长，其光效也大大超过了普通卤素灯，卤素灯的光效在10-20Im/W，LED的光效在70-150Im/W，比起传统灯的杂乱散热体系，光效的提升在照明中会更加节能且高效。LED纳秒级的响应时间比卤素灯秒级的响应时间也更为安全，这一点在刹车距离上体现得尤为明显。
 
随着LED设计和组合水平的不断提高以及成本的逐步下探， LED光源在汽车电子上经过近年来的验证开始在汽车照明系统里迅速提高占有率。根据TrendForce数据，2021年LED头灯渗透率在全球乘用车中份额已经达到60%，其中电动车的LED头灯渗透率更高，达到90%，预计2022年渗透率会分别提升至72%与92%。
 
此外，智能头灯、标识灯、智能氛围灯、MiniLED/HDR车用显示等先进技术也加速了LED在汽车照明中的渗透，在车用照明朝着个性化、沟通显示、驾驶辅助发展的今天，传统车厂和电动车厂都开始在LED上想尽办法做出差异化。
 
LED驱动拓扑取舍
 
LED作为一种发光器件，自然是需要驱动电路去控制的。一般当发光二极管的数量很多或者二极管耗电量比较大，这时候就需要驱动了（往往是几级的驱动）。考虑到LED组合的多样化，对于设计人员来说，设计出合适的LED驱动并没有那么简单。不过有一点可以明确的是，由于LED自身特性，发热量大，需要限制电流进行保护，因此恒流源驱动是最好的LED驱动方式。
 
传统的驱动原则以系统中LED的总功率水平为指标来衡量选择不同的LED驱动，如果总正向电压高于输入电压，那么就需要选择升压拓扑来满足电压要求，如果低于输入电压，则需要使用降压拓扑来提高整体效率。不过随着LED调光能力需求的提高以及其他需求的出现，在选择LED驱动时不仅要考虑到功率水平，还要充分考虑拓扑结构、效率、调光和混色方法。
 
拓扑结构的取舍在汽车LED系统中需要看LED使用的具体位置。比如在汽车照明的进远光灯、前照灯上，大部分都采用降压式拓扑结构的驱动，这种降压驱动在带宽表现上十分出色，还能通过设计扩频调频以获得很好的EMI性能，是一种LED驱动里非常安全的拓扑选择。升压式LED驱动的EMI性能同样很优秀，相比其他类型拓扑来说是最小的驱动方案，在汽车近远光灯、背光上应用更多。
 
LED驱动与调光
 
目前在汽车LED里，常见的驱动设计有三种，电阻限流、线性稳压器以及开关型转换器。使用串联电阻直接进行驱动的方式比较直接粗暴，基本只有在小功率的LED场景里才有可能用到，而且这种驱动方式因为有尖峰电流的存在，很容易影响LED的使用寿命。
 
线性稳压器方案和开关型转换器方案都是恒流驱动，都可以支持模拟与数字调光。不同的是线性稳压器驱动方案受限于电压偏小、效率偏低，更适合尾灯这种小电流LED应用场合。开关型转换器支持的拓扑很多，驱动效率更优，适合非常多高功率的场合。汽车照明系统里多数选择此类驱动以平衡效率、电流、电压。不管是哪一种驱动方式，在汽车电子系统的复杂EMC环境里，都必须考量驱动设计里的EMC要求。
 
在调光上，模拟调光和PWM数字调光仍是驱动里主流的两种方法。模拟调光突出一个电流可连续的优点，能够最大程度减少LED的闪烁。选择模拟调光基本上很多都是因为LED应用场景需求光源减少闪烁，毕竟模拟调光可以调节的范围受到硬件限制并不算灵活。不过模拟调光不用担心噪声问题，这在汽车照明系统中是一个很大的优势。
 
PWM数字调光的电流是不连续的，但是不同的PWM调光方式能实现的效果不一，主FET方式、串联FET式、并联FET式能实现的调光比、调光速度各不相同，以不同的占空比来调制平均电流可以轻松获得高达16位的分辨率，可以适配很多的LED场景。但是PWM数字调光必须对噪声干扰做防护，否则极容易受到电噪声、声噪声、光噪声的干扰。现在也有不少驱动结合了两种调光方式的方案，可以综合各自的优点。
 
写在最后
 
得益于驱动器件技术的不断提升，LED驱动的集成度越来越高，可以满足更高的功率密度、更高的效率和更小的封装，给LED在各类车灯应用里飞速普及提供了有力的支持，也为汽车照明系统的升级提供了澎湃的动力。