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公路照明:进阶光电子技术展示在汽车行业之价值
 

【作者: Mark Patrick】2019年09月19日 星期四

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世界各地进行的大量研究显示,在夜间发生的道路交通事故比例要大许多,这是由於驾驶员在夜间驾车时遇到的较差照明条件所致。



图一 :  近年来头灯技术已成为汽车工程团队的主要关注点之一。
图一 : 近年来头灯技术已成为汽车工程团队的主要关注点之一。

驾驶员能够看到更清晰的视野,发生事故的几率就越小,因为可以有更长时间对前方的状况作出回应,从而减少发生碰撞的可能性,并且尽量降低伤害。提高汽车头灯运作性能可以使汽车制造商相应的车型更加安全,因此,近年来头灯技术已成为汽车工程团队的主要关注点之一。


过时的照明技术

多年来,卤素和气体放电式(HID)??气灯一直是汽车头灯的主要候选技术。由广受尊敬的标准组织国际电子电机委员会(IEC)编制的测试资料表明,在耗电35W时,??气HID灯可以提供强度为3,000lumen的光输出,而卤素灯则需要大约55W的功率才能产生1,450lumen。??气HID灯比卤素灯具有更长的平均寿命(2,500小时相较500小时),并且不会随时间推移而产生倾斜。相反,卤素灯则建议每三年更换一次,因为调整光束的最隹倾斜角度可能会滑动。


??气HID头灯的不足是需要比卤素灯更高功率的电源,因此控制器和变压器都是强制要求。不同国家的法规也可能意味着需要额外的设备(例如镜片清洗和自动光束高度调节器)。必须承认,??气灯技术相较卤素灯确实有助於提供更好的前方道路照明,但测试已证实这种效果随着距离的增加而显着下降(超过75米後剩馀照度很少)。正是??气HID灯和卤素灯各自功能的局限性意味着它们现在开始被基於LED的技术取代。


采用固态技术之汽车头灯

LED已经用於汽车内部照明相当长时间,可为车内乘客提供多种颜色选择以适应乘客的情绪,并可使旅行时的环境更为舒适。LED也可用於尾灯、转向指示器等。现在,它们也越来越普遍地用於汽车头灯,这在高端车型中尤为明显,并且随着生产批量的不断增加,LED在低端车型方面的吸引力也开始变得更加明显。


如你所料,基於LED的汽车头灯可以胜过刚刚讨论过的两种已有技术。首先,其效能要高很多,产生相同水准的照明,平均下来相较卤素灯泡减少80%的功率,相较??气HID灯减少60%的功率,这对车辆的电力消耗具有正面效果,可以获得更高的燃油经济性。


LED在汽车环境中还可提供许多其他优势。LED运作更加稳定,平均寿命约为10,000小时(相较传统灯泡长20倍)。它们产生的光输出具有更好的定向,光束很窄,因而照明可以非常精确。相较白热灯,这些LED的回应时间也提高了200ms。可以为驾驶员提供更长的回应时间,例如前面车辆亮?车灯的状况。


其它层面

固态汽车头灯不仅具有运作性能和使用寿命等优势,使这种技术具有强大吸引力,除此之外,这种技术还可以提供相较白热灯更广泛的特性和功能。


这里给出一个重要用例, LED矩阵可以控制运作,从而能阻止部分前光束。因此,相向而行的车辆驾驶员(以及行人和野生动物)不会感到眩目,从而有助於减轻可能造成的严重交通意外。Audi A8等一些车型已经在使用一列微小的数字微镜来实现这一目标。


LED头灯产生的光束形状也可以改变,以便更好地应对周边环境,例如道路的倾斜和弯曲等状况,并确保最隹照明主要集中在最需要区域。这种主动头灯转向(AFL)技术,有时也称为主动调整头灯(ADB)技术,无需电机和类似设备,仅仰仗电子设备进行所需的光束更改。


另一个有价值的特性是当车速增加时,能够扩大光照的范围,因而驾驶员将能够有更多时间来识别和回应前方任何问题。


不言而喻,采用经受严格标准化测试的LED非常重要。LED的突然意外故障可能会极大地危及道路使用者的安全。国际电子电机委员会已经发布了汽车LED的确定性标准IEC 60810:2017,该标准总体上是基於汽车电子委员会(AEC)针对矽半导体的早期标准,解决了整合到任何道路车辆中的LED相关问题。


当然,领先的制造商认识到了相容标准的必要性。Lumileds的LUXEON F产品系列由高功率、1.9mm x 2.3mm格式LED组成,并且完全符合AEC-Q101标准和欧洲经济委员会(ECE)关於颜色的规格。这些产品旨在支援包括AFL在内的汽车功能智慧系统,并满足外部照明系统严格的可靠性、性能和寿命测试要求。该产品系列尺寸很小,即便在某些空间非常有限的应用状况下也可进行部署,其业界领先的散热性能可以简化附带的散热元件。Osram的Oslon Black Flat S 系列由表面黏着LED组成,输出为1650 lumen,每个封装中最多有5个可单独控制的发光元件。它们不仅能使头灯光束成形,而且可以在需要时阻挡特定区域。



图二 : Lumileds的 LUXEON F产品系列。
图二 : Lumileds的 LUXEON F产品系列。

用於上述主动光束调整用途的LED需要提供相较以往技术更大的光强度。因此,当涉及到支援的驱动电路时,需要额外的增强性能,以便能够将足够大电流输送到发光元件。Texas Instruments的TPS92515-Q1是一个多通道、高边(high-side)线性控制器IC,可配置为在分流FET调光周期的开/关期间保持??定的峰间纹波(peak-to-peak ripple),从而在整个分流FET调光范围内保持线性回应。它整合了一个高精度的片上脉波宽度调变(PWM)发生器,支援电流降额。这样可以在高输入电压条件下保护外部MOSFET,以确保系统可靠性。


在顶级豪华汽车市场,光电技术的创新使得下一世代道路安全机构(如ADB/AFL)成为可能。然而,所有这些都必须付出代价,很大程度上是源於与之配套的附加电子电路。当下的诀窍是生产更具成本效益的解决方案,以满足更广泛的车辆需求。和以往任何技术一样,在达到一定规模经济後,所有LED相关应用都会发生。


(本文作者Mark Patrick任职於贸泽电子)


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