將LED用于外部汽車的應(yīng)用設(shè)計(jì)優(yōu)勢

雖然采用LED用于外部汽車應(yīng)用的最明顯優(yōu)勢之一是設(shè)計(jì)靈活性所帶來的美學(xué)吸引力，但該技術(shù)帶來了許多更基本的優(yōu)勢：增強(qiáng)的安全性，更高的可靠性和更低的總體成本。然而，已經(jīng)并且將繼續(xù)存在許多需要克服的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

汽車外部燈被認(rèn)為是安全裝置，因此受到高度監(jiān)管。汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）的專家已經(jīng)確定，有三個(gè)主要因素會(huì)導(dǎo)致LED燈的早期故障：溫度，振動(dòng)和輸入電壓。因此，產(chǎn)品性能可靠性標(biāo)準(zhǔn)和測試程序圍繞這些因素。

本文將考慮LED如何發(fā)展以滿足汽車燈制造商要求的性能和可靠性標(biāo)準(zhǔn)，并滿足嚴(yán)格的汽車標(biāo)準(zhǔn)。

將參考擴(kuò)展的溫度范圍操作和長壽命設(shè)備，如Osram的Oslon Black Flat，Oslon LX和SX，Power SideLED和MultiLED系列。此外，Everlight的Piranha系列專為制動(dòng)燈和信號指示器而設(shè)計(jì)，專為滿足零缺陷質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)，專注于散熱和卓越的光學(xué)設(shè)計(jì)。

圖1：LED讓設(shè)計(jì)師能夠釋放他們的創(chuàng)造力，同時(shí)提高性能和安全性，如奧迪A8所示。

實(shí)現(xiàn)異國情調(diào)

LED的小尺寸和可變形狀選項(xiàng)使汽車設(shè)計(jì)師能夠釋放他們的創(chuàng)造力，遠(yuǎn)離傳統(tǒng)的外部照明外觀。應(yīng)用包括前照燈，日間行車燈和霧燈等前照燈設(shè)備，以及尾燈，信號燈和剎車燈。通過使用復(fù)雜，彎曲，異國情調(diào)和大膽的LED設(shè)計(jì)，汽車制造商已經(jīng)能夠顯著區(qū)分他們的車輛。

然而，與此同時(shí)，他們正在達(dá)到嚴(yán)格的安全性和可靠性標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)通常會(huì)限制所有汽車零部件的設(shè)計(jì)。此外，LED不僅有助于提高安全性，例如減少眩光和改善夜視，還可以開發(fā)新的增強(qiáng)型安全功能，如自適應(yīng)照明和自動(dòng)浸漬。

雖然在20世紀(jì)80年代正在考慮LED汽車照明的標(biāo)準(zhǔn)，但是在20世紀(jì)90年代早期開發(fā)了AlInGaP（鋁銦鎵磷化物），并且在21世紀(jì)初被認(rèn)為是白光LED技術(shù)的重大進(jìn)步。作為LED的關(guān)鍵推動(dòng)因素，可滿足該行業(yè)嚴(yán)苛的環(huán)境和性能要求。第一個(gè)外部基于LED的應(yīng)用，后停車燈，在本世紀(jì)初出現(xiàn)，大燈在2006年左右。

首先考慮，LED相比現(xiàn)有的鹵素或氙氣技術(shù)具有絕大多數(shù)的優(yōu)勢，特別是頭燈。它們堅(jiān)韌，自然更耐振動(dòng)，使用壽命更長，能耗更低。然而，它們的成本更高，這就是為什么幾年來它們主要只出現(xiàn)在奢侈品，高端型號中。然而，價(jià)格正在下降，并且它們已經(jīng)被中檔和大眾市場采用。

LED相對于鹵素和氙氣替代品的能源效率降低了燃料消耗和二氧化碳排放。對于鹵素大燈，節(jié)能范圍從55瓦到65瓦不等的比較數(shù)字相比，LED等效燈只需15到30瓦。據(jù)報(bào)道，氙氣燈泡比鹵素?zé)舾行?，通常需?5瓦，并且更亮，但成本高于鹵素?zé)?。雖然氙氣源的開發(fā)預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生更低的功率單位，但預(yù)計(jì)LED的潛力將擴(kuò)大差距，預(yù)計(jì)幾年內(nèi)預(yù)期的近光燈應(yīng)用低至1瓦。

更長的使用壽命，有效地延長了車輛的使用壽命，理論上不需要更換LED燈，節(jié)省了維護(hù)成本。鹵素?zé)舻氖褂脡勖L達(dá)1000小時(shí)，氙燈的使用時(shí)間約為2000小時(shí)，而LED的使用壽命為15,000小時(shí)。

采用LED的色溫較低（5500至6000 K）的可能性更接近自然光，不僅增強(qiáng)了對比度，而且據(jù)報(bào)道，與氙氣（4500 K）和鹵素相比，眼睛的疲勞度更低（3200 K）。

基于LED陣列的LED燈單元的智能電子控制，結(jié)合來自傳感器，導(dǎo)航和駕駛員輔助系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，可根據(jù)氣候條件，道路特征和自動(dòng)調(diào)節(jié)光輸出和模式。迎面而來的交通，以及諸如坑洼等物體或危險(xiǎn)的檢測。最新的自適應(yīng)照明系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)“永遠(yuǎn)在線”主光束等功能，可自動(dòng)調(diào)節(jié)城鎮(zhèn)或鄉(xiāng)村駕駛，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)彎和交叉路口。

然而，最近LED才能夠達(dá)到主光束前燈所需的光強(qiáng)度水平。奧迪A8采用歐司朗光電半導(dǎo)體的LED制造前照燈，結(jié)構(gòu)為五個(gè)燈條，每個(gè)燈條有五個(gè)LED（見上圖1）。同時(shí)，LED目前最常用于大多數(shù)主要汽車制造商的日間行車燈和后燈組。對于未來，激光二極管正在開發(fā)中，以實(shí)現(xiàn)更亮，更進(jìn)一步的主光束應(yīng)用。

溫度效應(yīng)

LED比鹵素?zé)舾?jié)能，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)產(chǎn)生熱量。然而，為了滿足前燈所需的光輸出（流明），LED必須以足夠高的功率水平驅(qū)動(dòng)，以顯著提高結(jié)溫。

不幸的是，隨著結(jié)溫升高，LED發(fā)出的光線越少，能效越低，壽命越短。因此，盡管LED比其他技術(shù)運(yùn)行溫度更低，但熱量仍然是主要問題。了解溫度效應(yīng)，熱管理和維持流明輸出對于汽車LED照明設(shè)計(jì)師來說并非無關(guān)緊要的挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，許多LED制造商已經(jīng)迎接挑戰(zhàn)，越來越多的設(shè)備可用，以滿足高溫性能要求并改善散熱。

SAE國際照明委員會(huì)制定的汽車標(biāo)準(zhǔn)解決了這個(gè)問題。 LED光輸出在壽命期間自然下降的問題，并且隨著結(jié)溫升高，老化過程加速。出于這個(gè)原因，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在最壞情況下，在額定壽命期間，初始光輸出的最小光度輸出為80％。在這種情況下，最壞情況是指結(jié)溫達(dá)到最大值，或者在最大值的10°C范圍內(nèi)。通常認(rèn)為，對于汽車應(yīng)用，LED主要在最大特定結(jié)溫下工作或接近最大工作溫度。當(dāng)然，各種汽車應(yīng)用中LED的性能測試和測量標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展。

數(shù)據(jù)表詳細(xì)信息

Osram提供各種專為廣泛使用而設(shè)計(jì)的LED在汽車應(yīng)用中。除了專門的Ostar Headlamp Pro系列外，還有2芯片，3芯片，4芯片和5芯片版本，Oslon Compact LED在小型封裝中提供高效率，可減輕霧燈和前照燈應(yīng)用的重量。光通量在25°C時(shí)范圍為580至1460 lm，驅(qū)動(dòng)電流為1A，光輸出為86或88 lm/W.

對于日間行車燈，高效，緊湊的Oslon LX120和建議使用Oslon MX-ECE。 DRL的光輸出不需要那么高，例如，LX部件的額定電流為140流明，驅(qū)動(dòng)電壓為350毫安，2.95伏，光輸出為136流明/瓦。對于紅綠燈，尾燈和信號應(yīng)用，歐司朗在其Oslon Black Flat，Oslon SX，Power SideLED和MultiLED系列中提供紅色，琥珀色和黃色LED。典型的例子是Oslon SX LA CN5M琥珀色/紅色LED。 1 提供了詳細(xì)介紹設(shè)備，其規(guī)格和應(yīng)用的綜合手冊。

需要符合汽車規(guī)格的LED的燈具設(shè)計(jì)師應(yīng)注意檢查數(shù)據(jù)表。歐司朗數(shù)據(jù)表明確說明該器件是否符合AEC Q101汽車的要求。值得注意的是，它們通常還指定了接近最大結(jié)溫時(shí)的預(yù)期壽命（短脈沖為175°C，典型值為150°C）以及相對光通量，它們顯示了隨著結(jié)溫的升高它會(huì)如何下降。這使工程師能夠就LED在特定應(yīng)用中的表現(xiàn)做出明智的決策。

圖2：Everlight為汽車外部照明應(yīng)用制造的一系列LED。

另一家專門為汽車外部照明應(yīng)用設(shè)備的供應(yīng)商是Everlight（見圖2）。 Argus系列單芯片，2芯片，3芯片，4芯片和5芯片LED專為高亮度，高效率和高溫下的色彩穩(wěn)定性而設(shè)計(jì)，可用于大燈，日間行車燈和霧燈。正向電壓報(bào)價(jià)為6至8 V，工作溫度范圍為-30至140°C。與此同時(shí)，Piranha AM EU系列目前采用PLCC格式，運(yùn)行功率低于0.5 W，主要針對剎車燈和信號指示燈。

Everlight汽車級認(rèn)證（AEC Q101）零件的數(shù)據(jù)表還說明了在高工作溫度下的性能特征，圖表顯示了外殼溫度升高（最大25,55和85°C）以及各種前向的影響光通量（350,700和1000 mA）（據(jù)報(bào)道在85°C時(shí)僅衰減15％）。最高結(jié)溫通常為150°C。先進(jìn)的散熱技術(shù)和先進(jìn)的陶瓷封裝使Everlight的一些最新器件能夠滿足嚴(yán)格的汽車性能和可靠性標(biāo)準(zhǔn)，即使在1.2 A正向電流和Tj超過150°C時(shí)也是如此。

結(jié)論

LED制造商繼續(xù)開發(fā)制造和封裝技術(shù)，以更少的功率提高光輸出，并優(yōu)化散熱，特別是汽車外部照明應(yīng)用。如今，這種設(shè)備已經(jīng)被汽車制造商廣泛使用，最初用于后部和停車燈，信號燈和日間行車燈。最新的最高性能型號正迅速適用于前照燈和霧燈。對于售后市場銷售，舊車型的改裝LED燈也有不斷增長的市場。