在手機及其他消費類電子產品中，白光LED越來越多地被使用作為顯示屏的背光源。近來，許多產品設計者希望白光LED的光亮度在不同的應用場合能夠作相應的變化。這就意味著，白光LED的驅動器應能夠支持LED光亮度的調節(jié)功能。目前調光技術主要有三種：PWM調光、模擬調光、以及數字調光。市場上很多驅動器都能夠支持其中的一種或多種調光技術。本文將介紹這三種調光技術的各自特點，產品設計者可以根據具體的要求選擇相應的技術。

  PWM Dimming (脈寬調制) 調光方式——這是一種利用簡單的數字脈沖，反復開關白光LED驅動器的調光技術。應用者的系統(tǒng)只需要提供寬、窄不同的數字式脈沖，即可簡單地實現(xiàn)改變輸出電流，從而調節(jié)白光LED的亮度，如圖1(a)所示。PWM 調光的優(yōu)點在于能夠提供高質量的白光，以及應用簡單，效率高！例如在手機的系統(tǒng)中，利用一個專用PWM接口可以簡單的產生任意占空比的脈沖信號，該信號通過一個電阻，連接到驅動器的EN接口。多數廠商的驅動器都支持PWM調光。 

 但是，PWM 調光有其劣勢。主要反映在：PWM調光很容易使得白光LED的驅動電路產生人耳聽得見的噪聲（audible noise，或者microphonic noise）。這個噪聲是如何產生？通常白光LED驅動器都屬于開關電源器件（buck、boost 、charge pump等），其開關頻率都在1MHz左右，因此在驅動器的典型應用中是不會產生人耳聽得見的噪聲。但是當驅動器進行PWM調光的時候，如果PWM信號的頻率正好落在200Hz到20kHz之間，白光LED驅動器周圍的電感和輸出電容就會產生人耳聽得見的噪聲。

  我們都知道，一個低頻的開關信號作用于普通的繞線電感（wire winding coil），會使得電感中的線圈之間互相產生機械振動，該機械振動的頻率正好落在上述頻率，電感發(fā)出的噪音就能夠被人耳聽見。電感產生了一部分噪聲，另一部分來自輸出電容。現(xiàn)在越來越多的手機設計者采用陶瓷電容作為驅動器的輸出電容。陶瓷電容具有壓電特性，這就意味著：當一個低頻電壓紋波信號作用于輸出電容，電容就會發(fā)出吱吱的蜂鳴聲。當PWM信號為低時，白光LED驅動器停止工作，輸出電容通過白光LED和下端的電阻進行放電。因此在PWM調光時，輸出電容不可避免的產生很大的紋波。總之，為了避免PWM調光時可聽得見的噪聲，白光LED驅動器應該能夠提供超出人耳可聽見范圍的調光頻率！ 

模擬調光最大的優(yōu)勢是它避免了由于調光時所產生的噪聲。在采用模擬調光的技術時，LED的正向導通壓降會隨著LED電流的減小而降低，使得白光LED的能耗也有所降低。 但是區(qū)別于PWM調光技術，在模擬調光時白光LED驅動器始終處于工作模式，并且驅動器的電能轉換效率隨著輸出電流減小而急速下降。所以，采用模擬調光技術往往會增大整個系統(tǒng)的能耗。模擬調光技術還有個缺點在于發(fā)光質量。由于它直接改 汽車上的燈光系統(tǒng)不但讓駕駛者能實際了解車子的狀況，更提供了安全駕駛過程中，所必須兼具的條件。

而新一代的光源－LED，這對許多消費者來說一點也不陌生，甚至已進一步擴大應用于汽車上，并根據各個應用面對于效能的不同需求，選擇適宜的LED產品。基本上，由于LED與傳統(tǒng)的光源除了在外型上的差異之外，光形與效能輸出也有很大的差異，因此，要將LED完善地應用在汽車頭燈上，包括光學設計與散熱設計等，將與傳統(tǒng)汽車燈具的設計概念有所不同。一旦汽車能與LED成功地進行整合，并克服技術門檻之際，將可為汽車設計開創(chuàng)出嶄新的設計原理。

    一、汽車上的燈光控制系統(tǒng)

    從周遭的汽車上，可以看到LED已經廣泛地應用到車上，包括：轉向指示燈源、顯示或者是車內相關照明，如汽車顯示儀表板、車頂照明燈，到車外的尾燈、前后指示燈、倒車燈、第三煞車燈等，或多或少都能見到LED在汽車燈源的相關應用。從系統(tǒng)的角度來說，汽車上的燈光控制是汽車主體控制架構中的一個子系統(tǒng)，主要包括：車門控制與儀表板顯示系統(tǒng)，而基本架構則是收集車上各個開關的狀態(tài)量，并進一步視其狀態(tài)來對車上燈源進行驅動，并負載所需動作的電能。

    由此可見，汽車主體控制系統(tǒng)控制必須是依照不同功率需求的燈源進行設計。換個角度，從LED在汽車上的應用來看，雖然LED在第三煞車燈的應用，到汽車尾燈、轉向燈到煞車燈，甚是在幾年前已將LED光源設置在車內作為照明之用，一步步開創(chuàng)了LED作為車內外照明之用的想象空間。

 二、不同的應用需求下 必須有不同的LED封裝技術

    不同的LED元件有著不同的應用途徑及環(huán)境范圍，因此封裝方式也有其差異，倘若LED的芯片及封裝技術能夠進一步提升，產品亮度更可提高一倍。當隨著應用層次的不同，汽車中心廠必須要選擇不同LED光源與封裝技術，才能面對車上各個不同的環(huán)境要求。一般來說，LED在汽車工業(yè)方面的應用，乃是根據亮度的差異，將其簡單歸類為，指示燈號用、投射光源用與照明光源等三種不同類型的需求列示如下：

    指示燈號的應用－由于此范圍所使用的LED光源流明值需求不高，其消耗功率也較低（約為70200mW），所生成的熱源對封裝體的影響較小，所以許多廠商在設計封裝時，往往會忽視掉熱源可能會導致的后果，因此，大部分是采用樹脂類的材料直接將LED整個包覆起來，再進行封裝的動作，也因為樹脂類的材料對于熱的傳導系數較低（W/mK），容易產生散熱不佳的情況，使得LED元件與散熱系統(tǒng)之間的界面熱阻系數，會因此而提高。

   車內照明光源應用－除了上述所應用車內指示燈源之外，還可用于亮度要求較高的車內照明、霧燈與前后方向指示燈。因為亮度需求提高，其封裝功率也必須相對提升。不過，如此一來，LED很容易就會因為功率增加而影響到色彩衰減問題，因而不得不將散熱問題納入考慮的重點。在封裝設計上，除了可以使用樹脂類的材料封裝外，還可以設計一金屬塊能在第一時間便將LED所產生的熱源導出，以便維持LED的發(fā)光效率與熱阻問題。

    汽車投射燈源應用－這是目前在LED在汽車應用上封裝亮度要求最高的一樣，以前照明系統(tǒng)為主，包含了霧燈、近燈、遠燈，單個體的封裝必須達到4W以上，而熱阻則必須小于5K/W，才能在高溫的環(huán)境下，正常維持LED主體的散熱能力，保持LED光源的輸出效率在規(guī)定范圍內。

 三、不同的應用層面 對于亮度需求也有所不同

    基本上，以流明亮度的需求來看，一般在汽車內部所使用的照明設備大約需要80流明的亮度，大多采用表面黏著型（Surface Mount Technology；SMT）的封裝方式，單體封裝約為2流明輸出之多，其發(fā)光效率則可以達到1520lm/W之間。其次，車用的第三煞車光源則約略需要30流明的亮度，一般采用直徑5mm的炮彈型（Lamp）封裝技術，借以加強設計光照角度及強度，再透過樹脂透鏡安裝在發(fā)光元件上，而達到對光的調節(jié)，其單體封裝亮度約4流明，發(fā)光效率則可達2040lm/W。至于，汽車尾燈對于亮度的要求，約在300500流明之間，一般采用1W的SMT封裝技術，單體封裝亮度約1020流明，效率可達1540lm/W。

  以上是安裝在汽車上實際作為車體的光源量測數據，而目前LED廠與車廠正積極合作，試著將LED導入前照系統(tǒng)（頭燈、霧燈）中，其中車廠對于頭燈的亮度需求約2，000流明的白光，LED廠目前則應用高瓦數的SMTLED封裝架構，每單體封裝可輸出100200流明，效率預期提高至50100lm/W，目前使用于車上的燈源可區(qū)分為白熾燈泡、鹵素燈泡、氣體放電式燈泡與LED光源。

    四、如何開始著手LED汽車頭燈設計

    （一）規(guī)范要求

    開始著手設計頭燈之前，應先考慮法規(guī)上的相關規(guī)定，包括光型亮度、環(huán)境測試、亮度衰減等需求，進一步考慮相關光學設計，機構設計，耐熱設計與電控設計等細節(jié)，對于LED而言，光學設計的考慮除了反射罩設計之外，尚需考慮LED本身的出光光型，不同的封裝型態(tài)將產生不同的光型輸出，進一步將影響反射罩或成像透競的要求，與傳統(tǒng)頭燈設計需考慮不同燈泡（H1、H4、H7、H11等）類似。

    在傳統(tǒng)的頭燈設計上，燈泡本身的光子釋放來自加熱鎢燈絲，不會因自身發(fā)出的熱或來自引擎室的高溫而影響亮度輸出，散熱重點落在整個頭燈腔體的均溫設計而非燈泡的散熱，但在頭燈材料的選擇上則需考慮是否可承受來自燈泡的高溫，如汽車頭燈腔體約承受100℃的溫度，霧燈腔內溫度可高至300℃，所以在此選用的材料一般都以耐熱材為主。然而對于LED而言，其光子釋放來自于PN界面的能階跳動，與溫度呈現(xiàn)負相關，溫度越高則光源輸出越弱，因此散熱成為LED作為光源設計的重要課題。

（二）光學設計

    光學設計時先考慮法規(guī)需求，討論視角與強度關系，以近燈為例須針對其特殊的15度揚角設計。在傳統(tǒng)的燈具設計上由先期的利用反射罩配合透鏡刻紋作角度與強度的控制，演變成為利用反射罩直接控制強度角度，也發(fā)展出利用成像方式的魚眼透鏡設計法。不論何種的設計方式都須先考慮選用光源的特性，特別是角度與強度的光型輸出（Beampattern），對傳統(tǒng)的光源而言，大多為柱狀光源，可產生類似蝴蝶外型的光型輸出，進而發(fā)展出來與之搭配的透鏡、反射罩、擋板、透鏡等光學組件。而利用LED作為光源設計燈具時，需重新考慮其光學特性由傳統(tǒng)的柱狀光源變?yōu)槠矫婀庠矗M而搭配外部的光學組件而產生不同組合以應用于不同產品，依照德國車燈大廠HELLA的設計分類，可將光源分為八大類。

    LED目前的單位面積發(fā)光量尚不及鹵素燈泡與放電式燈泡，想得到相同的流明輸出，LED需要較大的封裝面積。隨著光源輸出面積的增加，光學設計的難度也隨之提升，所以在現(xiàn)有的概念車上，都以模塊化光學設計取代既有的單一燈室設計，利用多組燈源達到傳統(tǒng)燈具的照明水平，除了降低光學設計的難度，也增加車體造型的設計感。

（三）散熱問題

  由于LED的輸入電能約有90％的轉換熱能必須排出，這遠比傳統(tǒng)燈源要來的高上許多；另外，LED晶粒歸類于半導體材料，不能耐高溫（＜120°C），由晶粒至大氣的排熱只容許約50°C溫差，更是遠低于傳統(tǒng)燈泡，因此，散熱設計是LED光源區(qū)別于傳統(tǒng)光源的課題之一，再加上燈具不能使用風扇散熱，而且燈具產品要能推廣到汽車市場普及，還得要進一步考量到外觀造型與燈具的光學設計原理，這將是高功率LED照明設備極為困擾的問題。

    嚴格來說，傳統(tǒng)所使用的燈具所產生的熱源其實遠高于LED；不過，傳統(tǒng)燈具不會因為高溫而降低其光源輸出能力，但，LED的光輸出卻會因為本身界面問題，使LED的發(fā)光效率受到影響。而其產生的熱如何散除到外界環(huán)境與其封裝結構材料息息相關，牽涉到使用的散熱材料與相關外型。其中熱阻的概念，代表輸入W功率時，需要提高多少K溫度才足以散熱。以現(xiàn)有的封裝技術最高可允許LED操作在185℃（LumiledK2），但一般因為封裝膠材的關系，可允許的操作溫度約在125℃，除了考慮光源輸出效率之外，還必須要考慮封裝膠材的變質，例如，樹脂類材料在作為包覆LED晶體時，若在高溫時容易產生的老化現(xiàn)象。

    目前有廠商發(fā)展出以「熱力均溫超導技術」，可將LED所產生的熱源進行聚熱分散的效果；也就是說，當LED燈具的溫差在正負1度的范圍之間，再采用強制散熱技術，利用燈具所設計的防塵遮蔽的半開放式空間進行空氣換氣的動作，也就是可以讓空氣產生對流，而達到傳散熱能的效果。而這個發(fā)展概念就像人體散熱一樣，除靠皮膚散熱外，也靠第2個空間的肺，以進行呼吸獲得強制散熱。 

 五、結論

    在LED產業(yè)中，磊晶過程中容易導致芯片不均勻的狀況發(fā)生，而發(fā)展出所謂的分類銷售的過程，尤其是瓦數較高的芯片，在LED產業(yè)中更必須要進行全檢才得以出貨，再根據LED波長進行下一步的細部分類，雖然在進行封裝之后，每顆LED的個體還是會在亮度、色溫、可靠度上存有細微的差異。而以LED作為汽車頭燈的應用，將會采用多個芯片設計方面，才得以輸出足夠的發(fā)光效率以進行汽車燈具的光學設計。另外，需要關注的是LED的質量檢測與質量管控，才能確保LED具有相同質量的燈源輸出效果。

  自從2004年以來，市場上至少已經超過13家以上的汽車廠商在相關車展中，相繼展示出LED頭燈為市場需求的概念車款。甚至，Lexus汽車更將于2007年，推出一款以LED為頭燈的量產汽車，相信以LED汽車上的燈源所遇到的難題，勢必會在消費者引頸期盼下，逐漸獲得舒緩。而LED先天上就具有體積小的優(yōu)勢，應用于前置燈具時更可縮小整組燈具的體積，進一步讓出寶貴的引擎空間與其它相關設備，以現(xiàn)有的鹵素燈泡或是放電式燈泡設計的燈具總長約300mm，而在許多概念車的設計上，LED燈具只有125mm長，而藉由體積小的優(yōu)勢，更可以配合設計多款不同的造型，進而為車體造型創(chuàng)造出不同的視覺觀感，進而擺脫過去汽車燈具的圓形設計概念。

 變白光LED的電流，使得白光LED的白光質量也發(fā)生了變化！

 除了PWM調光，模擬調光，目前有些產商的驅動器支持數字調光。具備數字調光技術的白光LED驅動器會有相應的數字接口。該數字接口可以是SMB、I²C、或者是單線式數字接口。系統(tǒng)設計者只要根據具體的通信協(xié)議，給驅動器一串數字信號，就可以使得白光LED的光亮發(fā)生變化！表1列出了各個解決方案的特點。

　　德州儀器的TPS61150/1產品是一款具備雙穩(wěn)壓電流輸出的白光LED驅動器，能夠驅動翻蓋手機中用于主顯示屏與副顯示屏 LCD 背光照明的白光LED。同時，該器件的雙通道輸出也可驅動顯示屏與鍵區(qū)的背光照明，其在單個較大顯示屏上可驅動多達 12 個白光 LED。TPS61150/1 無需外部有源電源組件的支持，即可實現(xiàn)較高的效率與設計靈活性。

　TPS61150/1能夠支持PWM調光和模擬調光兩種調光方式。