介绍

　　LED早期在汽车上的成功应用主要是在指示与显示方面，而非照明，这是由于早期 LED 的单位输出流明成本较高。例如，在仪表盘上使用 LED 来替代白炽灯泡迅速取得成功，因为保修与更换成本的降低显易而见，成本更高的 LED其实比白炽灯泡更具优势。

　　比较 LED 与传统光源的不同之处将有助于确定采用 LED 技术的产品的设计纲领，帮助人们为应用设计选择适合的 LED 产品和技术。

　　用于照明的 LED 的关键属性如下：

　　* 寿命长;

　　* 工作温度范围广;

　　* 固态程度坚固;

　　* 色饱和度好;

　　* 功耗低，驱动电压低;

　　* 形状因子小，设计更灵活;

　　* 点源好，光学效率高，便于定向照明;

　　* 开关时间短;

　　* 调光范围广;

　　不含汞，符合 RoHS 要求。*

　　除成本之外，LED 可提供更多的功能和造型优势。例如，LED 正开始被设计用于汽车的日间行车灯 (DRL)，因为它们的小巧能够提供独特的差异化造型，这是传统光源无法轻松实现的(图 1Audi R4)。

图 1 Audi R4 LED DRL 实现了实质功能，展现了品牌的特点

　　LED 几乎可瞬时点亮的能力相比白炽灯来说，为驾驶者带来了更大的安全性，在以时速 60 英里行驶时可增加约一个车身长度的制动距离。

　　LED 大灯被认为可提高驾驶者安全性，因为它们发出的光更接近日光的颜色，由此提高了远距离标志的清晰度，同时也降低了视觉疲劳。

　　LED 大灯更低的能耗可将节约下来的电能用于增加行驶里程，或用于现今电气设备不断增加的汽车上的其他电气与电子用途(例如，信息娱乐、MP3 设备、环境照明、主动安全系统等等)

　　LED 在刹车灯等彩色灯用途方面效率特别高。白炽灯需要使用滤光镜来产生车辆所需的红光和黄光，而LED 则已经具备了外部信号灯所需的适当颜色，不需要额外滤光，从而提高了效率(表 1)。

表 1 发光效能比较。

　　LED 技术的进步

　　本文所述的某些 LED 是基于新一代的高亮度薄膜 LED 技术。传统 LED 的衬底通常采用碳化硅、蓝宝石或其他材料。这些衬底吸收了 LED 产生的一些光子，而降低了效率。在薄膜技术中，通过减少外延层的厚度，基本消除了晶片侧面发光，也降低了由于内部总反射而造成的损耗，从而将提取效率提高到超过 97%(图 2)。除光提取效率提高之外，薄膜 LED 还可在更小的发光面积内以更低的功耗产生两倍高的亮度。薄膜 InGaN LED 也被命名为 ThinGaN。

图2 传统晶片与薄膜 LED 晶片的比较

　　薄膜 LED 晶片的制造

　　薄膜 LED 晶圆采用与传统 AlInGaP 和 InGaN 晶圆同样的工艺制造，一个不同点就是在外延层下增加了牺牲层(图 3)。晶圆被翻转，粘在具有高反光镜面的锗载板上。然后，通过剥离，将原来的衬底去掉。剥离技术可采用化学或激光蚀刻法，这要看晶片用的是AlInGaP 还是InGaN材料。化合物晶圆采用传统的金属化工艺进行表面处理，然后被切成单个 LED 晶片并进行封装。所得到的晶粒的发光层厚度不超过 10 微米，没有侧面发光，效率非常高。

图3 薄膜LED工艺流程

　　重要的 LED 设计思考因素

　　* 良好的散热设计，以达到 LED 的最高效率。

　　* 优秀的光学设计，使光线高效地到达所需的位置。

　　* 适合的电子驱动电路，确保 LED 安全工作、高效且颜色控制准确。

　　散热设计

　　与传统光源相同，LED 所消耗的绝大多数多余的电能会转化为热能。但是，与将热量作为红外辐射发散的白炽灯与卤素灯光源不同，LED 散热的主要机制是传导。散热非常重要，因为 LED 光输出随着结温增高而降低(图 4)。

　　LED 的寿命在高结温长时间工作时也会缩短。因此，LED 灯设计中的散热管理要比白炽灯设计更加关键，从而保证光输出和产品寿命。

　　这意味着大功率 LED 不能设计为没有散热功能的独立工作型。表面贴装 LED 通常贴装在电路板上，每个阴极和阳极都有一个或多个连接。电路板上的电介质通常导热性较差。

图4 典型 AlInGaP LED 的光强随结温的变化

　　对于小功率 (<0.25W) LED，电气引线还具有导热这一额外用途。在此类 LED 中，当工作负荷循环较低时，贴在 PCB 上的金属铜便可提供所需的所有散热性能，特别是达到甚至超过了厂商推荐的焊盘尺寸时。

　　对于大功率 LED，供应商通常在封装底面直接安装一个散热垫，这样便可将散热垫连接到外部散热器。2-watt OSRAM Golden DRAGON LED 就具有一个散热垫(图 5)，它可连接到外部散热器，最大限度提高导热性能。

图 5 欧司郎光电半导体的 Golden DRAGON LED 透视图和截面图，显示了散热垫

　　增加散热器的策略：为大功率 LED (<5W) 增加散热器的最常见方法是使用金属芯 PCB。

　　Golden DRAGON 的另一个散热示例是在PCB 上安装诸如 FR4 或柔性聚酰亚胺材料膜，这些膜与铝片连接。测试显示，通过用铜铆钉将散热垫与铝片连接，可实现的耐热等级 (0.6 K/W) 比没有铜铆钉 (9.5 K/W) 更好(图 6)。

图6 安装在柔性电路板和与铝散热垫连接的 Golden Dragon LED 的热剖面比较

　　这种方法比金属芯 PCB 成本更低，而且散热效率几乎相同;特别适合需要多个 LED 的用途，如 BMW 6 系的尾灯组件(图 7)。在连接有铝片的柔性电路板上安装 LED 的这种方法使得 3D 尾灯组件成为可能，这为汽车带来了非常突出的造型特点。另一方面，金属芯 PCB 通常在支持 3D 几何形状方面受到限制。

图7 BMW 6系尾灯组件

　　光学设计：LED 汽车大灯是一种具有严格规定的应用，它即要为驾驶者的视野提供足够的照明，同时又让对面汽车的驾驶者不感到晃眼。OSTAR 所开发大灯的 LED 模块采用 ThinGaN LED 技术。每个 OSTAR 模块具有 5个 1-mm ThinGaN 晶片，在 700 ma 下能发出总量大于 600 流明的光亮(图 8)。

　　在 GM Escalade Platinum(图 10)中，每个近光大灯使用了 5 个 OSTAR 模块，每个远光大灯使用了 2 个。

　　每个 OSTAR 模块还使用了特殊设计的玻璃投影透镜，因为白光 LED 所产生的能量足以使大多数透明塑料透镜材料退化(褐变)。

　　还使用了冷却风扇来防止大灯组件内热量升高，因为普通的对流不足以应付。 [1]

　　近光大灯的 5 个模块用于提供必要的弥散效果、颜色和亮度均匀性(图 9)。

图8 OSTAR大灯LED模块(左)以及所搭配的玻璃投影透镜(右)

图9 HID与LED发光的比较

图10 装有全LED大灯的Cadillac Escalade Platinum

　　电气设计：LED 是用电设备，亮度随正向电流而增加。同时，结温随电流的增加而升高，除非系统内有一个容量无限的散热器。随着温度升高，LED 二极管的正向电压下降(图 11)。因此，重要的是 LED 驱动电路应该能够防止 LED 进入热逸散状态。常见的解决方法是采用有源恒流驱动。现在市场中有很多 LED 驱动器，它们能给电路提供反馈来保持电流恒定，从而解决此类问题。简单的电阻偏压电路也广泛用于小功率设备。

图11 随结温变化的负正向电压的变化

图12 随正向电流变化的白光 LED 的色度偏移

　　InGaN LED 的半导体发光的波长将随着正向电流增加而变短，造成白光 LED 的色度坐标向蓝色偏移(图 12)。如果需要灯具的调光功能，最好通过脉宽调制 (PWM) 并保持峰值电流恒定来改变亮度。通过改变负荷循环，可在极大范围内调整 LED 的亮度，而不会出现颜色偏移(图 13)。

　　PWM 与恒流驱动相结合可确保 LED 发光颜色的稳定。

　　这对于使用两种或多种颜色来生成组合色的多色 LED非常关键。组合色的波长和亮度视混合的颜色和亮度而定。

图13 通过PWM线性控制亮度。

　　LED在汽车显示器中的使用

　　液晶显示器 (LCD)

　　与目前的冷阴极荧光灯 (CCFL) 相比，LED具有众多优势，即：

　　* 不含汞铅;

　　* 低压直流(EMI低);

　　* 防震;

　　* 开关速度快(低于100ns)=瞬时开关;连续帧颜色控制，降低未来成本;

　　* 工作温度范围广，从-40℃至+85℃;

　　* 色域广，RGB LED>100% NTSC;

　　* 通过脉冲控制实现无限的调光步幅;

　　* 亮度级别更高，适合高环境光下使用(CCFL很难实现);

　　* 显示器的整体剖面更薄。

　　正确设计的导光与适合的LED位置将带来均匀和明亮的LCD。

图14 LCD中的LED导光经过优化，可实现亮度均匀的显示

　　在汽车 LCD 背光上使用 LED 的最大障碍就是成本。不过这个障碍在 2008 年已被克服，当前所有新的汽车 LCD 背光设计现在均采用 LED 技术。

　　投影显示器(正投或背投)

　　投影显示器可解决汽车中 LCD 的某些限制，诸如：

　　* 无玻璃;

　　* 与多种触摸屏技术兼容;

　　* 完全的工作温度范围，无需加热器;

　　* 可弯曲的屏幕，实现曲面显示。

图15 OSTENDO的曲面(CRVD)投影显示器，由OSTAR LED驱动

　　CRVD 投影显示器是第一款具有环绕曲面屏幕的大型宽幅显示器 [图15]。Ostendo 的创新使之成为可能，即将四个迷你投影仪采用机械与光学的方式组成一个无缝的曲面屏幕。Ostendo 技术支持缩放显示器尺寸和调整分辨率来适合汽车中控台或仪表盘[图17]。

图16 Ostendo CRVD显示器的规格

图17 CRVD显示器的模块化构造可支持尺寸的缩放和分辨率的调整。本文所示的是带有四个迷你投影仪的标准尺寸

　　前瞻

　　应用与用量的持续增长将拉低价格。可以预见到，在不远的未来，LED 将 100% 占据汽车照明市场。

　　纳米技术等器件技术方面的突破将带来新一级别的 LED，它们将更加明亮、更有效率、更加均匀且制造成本更低。

　　互动触摸屏将替代今天的许多分立开关。平视显示器将替代今天的仪表和显示器。

　　曲面显示器将提供环绕视野，减少驾驶者对多种情况的反应时间。

　　设计师将在使用光学、电气和机械模拟工具方面获得更多的经验，这将带来更多高效、高性价比的设计。

　　通过 LED 来选择色彩主题，用以代表驾驶者当天的心情，搭配服装。

　　大型灯具设计公司和厂商已加入这一趋势，在产品组合中推出了越来越多的 LED 解决方案。

　　借助 LED、光导和反射概念所带来的设计自由度，业界正在开启汽车功能性显示的新纪元。

　　结语

　　LED 为汽车制造商提供众多无法拒绝的理由，让自己的产品具有创新的功能和造型特点。

　　LED 通过降低能耗，可促进节能。

　　若拥有适当的散热、光学、电学和机械设计，LED 灯和显示系统将具有高可靠性、高效率和高性价比等优点。

　　LED 寿命更长，可靠性更高，将提高汽车的行驶安全性。

　　LED 具有的众多颜色给汽车制造商提供另一个吸引顾客的手段，让他们有更多个性视觉的选择。