LED车灯和主照明市场商机开始爆发

欧盟与其它各国陆续宣布新车加装昼行灯,以及全面禁用、禁产白炽灯法令后,再加上安规验证标准已准备就绪,LED车灯和主照明需求攀升。为赶搭市场商机,LED组件、LED驱动IC及系统等厂商也加紧祭出完整方案,以分食这一巨大商机。

欧盟规范于2012年全部车种的新车均须安装专属昼行灯(DRL),以确保行车更加安全。此外,包括欧盟、英国、日本、新西兰、澳大利亚、加拿大、美国、阿根廷等国家已正式宣布,最迟于2014年将全面禁用与禁产白炽灯。在各国政策推动下,发光二极管(LED)昼行灯和主照明应用俨然已成为继背光源与路灯照明市场后,LED厂商全力布局的商机焦点。

各国政策加速LED车灯/主照明普及

为了让行车更加安全,欧盟率先于2008年9月24日公告,要求自2011年2月始,所有小轿车、小货车的新车型均须配备昼行灯;而其它货车、巴士则是自2012年8月7日起须配备昼行灯。除了欧盟之外,其它各国也陆续着手规范全部车种的新车须安装昼行灯,目前仅有加拿大法规容许以近光灯代替昼行灯。

专家指出,由于昼行灯必须在车辆行驶中保持亮度,传统昼行灯的耗电量为头灯的25~30%,于是具备低耗电量与长使用寿命优势的LED光源成为厂商研发新潮流,若使用LED昼行灯仅须消耗头灯10%的电力。考虑行车的安全性及节能需求趋势下,开发LED昼行灯将势在必行,成为LED厂商拓展车灯市场的新商机。

现今,汽车制造商奥迪(Audi)推展LED昼行灯最为积极,旗下A8、R8及A4系列皆已配备LED昼行灯,A8采用飞利浦(Philips)Lumileds的LuxeonEmittor作为昼行灯光源;R8和A4则选用欧司朗光电半导体(OsramOptoSemiconductor))的AdvancedPowerTopLED与GoldenDRAGONLED;甚至预计于2010年发表的第三代A8也将全面导入LED昼行灯。此外,不少汽车制造商已于今年上半年推出的新车款也配备LED昼行灯,如奔驰(Benz)等。

事实上,除了昼行灯之外,LED已经广泛应用于车内照明,包括仪表板、背光按钮、天窗、抬头显示器等。欧司朗光电半导体表示,车内随选选色(ColoronDemand)功能让汽车制造商可使用公司特有的识别颜色,创造与竞争对手的差异性,或于不同系列使用不同颜色加以区别。

另外,LED外部车灯的使用比重也持续攀升,如2008年凯迪拉克(Cadilac)Escalade首先采用LED车头灯。飞利浦Lumileds表示,上市的凌志(Lexus)LS600h及奥迪R8均已装载LED车头灯,其中凌志选用的即是飞利浦Lumileds及日亚(Nichia)的高功率LED。至于LED于第三剎车灯、车尾灯、方向灯、侧灯、近光灯及远光灯等需求量也日益增长。LED也经常使用于中型车款的车尾灯,除考虑尺寸小、温度稳定及使用寿命长等特性外,另一优势为反应速度快,可在驾驶者踏下剎车板的瞬间亮起。例如日产(Nissan)Tiana后灯和克赖斯勒(Chrysler)第三剎车灯、方向灯及后照灯皆已采用LED光源。

即便LED剎车灯、方向灯等信号灯技术已臻成熟,但LED车头灯、前雾灯等照明灯类仍未普及,然受惠于各国昼行灯法令的颁布,LED昼行灯已成为炙手可热的车灯应用。

另一方面,为了顺应节能减排大趋势,各国自2009年起陆续停止生产、禁用白炽灯泡,尤其欧盟各国将自今年9月始,禁止销售100瓦传统灯泡,2012年全面禁用所有传统灯泡,为最早实施的区域。

根据市调机构LEDinside预测,随着各国政府禁用白炽灯的时间表相继出炉,全球整体照明产品更新效应将于2010~2012年逐渐发酵,至2012年,LED照明领域年复合增长率高达33%。而在LED发光效率逐渐提升及成本下降下,未来LED照明将可切入室内照明领域。

在各国政府节能政策推波助澜下,势将带动LED昼行灯及主照明市场需求,为及早确保产品的性能、可靠度及安全性,欧盟、北美政府与安规验证机构也责无旁贷,已针对车灯和主照明订定出相关的标准与安规认证。

标准/安规验证制定紧锣密鼓LED车灯/主照明商机耀眼

欧盟针对LED昼行灯与车头灯分别制定出ECER112、ECER87规范,专家指出,LED车灯与传统车灯验证截然不同,由于LED光源点亮后照度会逐步提升,称为稳定期,因此欧盟规定LED光源须在点亮1分钟内达到最低照度要求,并于点亮30分钟后达到稳定期照度,也即在点亮后1分钟及30分钟内,亮度值达到不同车灯类型的上、下限值之内,如昼行灯上、下限值个别为1,200cd和400cd;而根据欧盟LED方向灯规范ECER6规定,上、下限值是1,000cd及175cd;至于LED位置灯ECER7上、下限值则为17cd、4cd。另外,他补充说到,使用比重逐渐提高的LED车头灯,以及车尾灯、剎车灯同样毋须长时间点亮,因此并不要求长时间的照度稳定,为车灯验证的例外。

再者,值得关注的是,由所有英国保险公司联合号召的Thatcham联盟,偕同德国莱因针对理赔要求所制定的非强制性EMC验证服务,其主要适应LED车灯需要额外的电池回路系统,为保障驾驶者于车内的安全,因此要求整车须进行电磁兼容(EMC)的验证,以确认车辆内任何的电器系统均达到公定的EMC规格要求。任何车辆内新增的电子产品也必须通过EMC验证,此对于后装市场(AM)影响性较大,该联盟并期望此服务能拓展至欧洲各国。此外,Thatcham验证项目尚包括后装产品是否符合原装产品的规格要求,包含功能与组装性。

目前主要代表性车灯客户为欧司朗、飞利浦、Valeo、Narva等,不过车市现况不佳,验证订单也跟着缩水,至于国内,则尚未接获车灯验证需求,不过随着LED车灯更为普及,国内汽车制造商使用LED车灯比重也会大幅提升,现有过半比例汽车配备LED剎车灯、方向灯等,因此国内汽车厂商验证LED车灯的需求量较大。

而LED主照明与车灯验证项目大相径庭,大多时候,车灯与人体接触的机会较低,因此毋需电气安规要求;反之,LED主照明则有此需求。此外,LED车灯仅有系统须要验证;然而LED照明安规验证项目则涵盖LED组件及系统。

不同的LED照明的安规要求迥异,此外欧美对于照明设备的安规标准也不尽相同,主要差别在于电压(欧洲230伏特、北美120伏特)、对于安全考虑的标准以及因应不同结构的差异性。

LED照明验证主要项目为电气安全测试、光学特性、EMC安全测试及欧盟废旧电子电器设备指令(WEEE)/电气电子设备有害物质限用指令(RoHS)指令符合性测试。李志明建议,不同灯具的验证价格不一,为有效缩减验证成本,厂商须找寻符合安规条件的组件。

相较于德国莱因,于北美LED照明安规验证市场较为活跃的UL,除了LED灯具之外,也特别针对LED组件制定出安规验证草案ULSubject8750。ULSubject8750针对LED组件的安规验证项目包括发光模块、控制回路及电源供应。

UL表示,由于先前传统灯具安规认证未考虑LED组件特性,因此ULSubject8750系补强LED应用于传统灯具系统安规标准的不足,并适用于所有LED灯具的安规验证。

至于LED灯具安规验证项目则涵盖异常测试、电器规格和机械强度,因此除了所有灯具的基本测试,如温度、异常测试与绝缘特性外,考虑LED属于半导体组件,与传统灯源特性相去悬殊,因此特别规划异常测试项目,而机械强度方面,主要对于结构进行审查,确认开关、电源线规格是否符合灯具要求,以及相关电器间距是否引发短路现象,以避免出现短路、开路或回路过载情形。

然而,虽然在政府政策与验证护航之下,LED车灯与主照明后势可期,但与背光源和路灯照明相比,汽车与主照明应用的设计要求更为严苛,尤其是用于车头灯和室内主要光源时,LED的散热、发光效率与可靠度均面临极大挑战。因此,为抢攻此两大潜力市场,LED厂商已陆续研发出更高发光效率的LED与新式的散热、封装技术,加速市场成形。

车灯/主照明强调长寿命/高可靠度

根据市调机构StrategiesUnlimited数据显示,2012年全球高亮度LED市场产值将由2007年的46亿美元,攀升至114亿美元,其中照明与背光源应用为主要增长力道,2012年市场渗透率分别达到12%、44%,车灯则维持12%的市占率。由此可知,无论车灯或是主照明市场,已成为LED厂商垂涎的目标。

为能分食市场大饼,LED厂商竞相推出改善LED散热、发光效率与可靠度的解决方案。飞利浦Lumileds已为LED车灯领域的代表性厂商之一,其所研发的LuxeonRebel系列高功率LED产品在车灯业界夙负盛名,其特色为不对称的LED架构设计,在散热与发光效率皆深具市场竞争力。

专家认为,LED的发光效率与温度有很大的关连性,当温度增加时,发光效率会降低,透过芯片的封装技术,可改进散热缺陷提高发光效率,如欧司朗光电半导体的五颗芯片OSTAR最高流明值为1,000流明,但其热阻仅3K/W;最新推出的1瓦OSLONSSLLED,其7K/W低热阻改进散热管理。

另外,欧司朗光电半导体针对昼行灯、车头灯已分别开发出GoldenDRAGONLED、AdvancedPowerTopLED与OSTARHeadlampLED,前者的氮化铟镓(ThinGaN)芯片以350毫安的工作电流产生64流明的亮度,顺向电流已从3.8伏特减至3.2伏特。每盏车头灯只需四枚GoldenDRAGONLED便能于日间产生足够的光线,耗电量也低。至于OSTARHeadlampLED,可轻易达到卤素灯的亮度,每颗LED各有最多五枚紧密薄膜芯片,符合AEC-Q101汽车标准。依据串联的芯片数量,该款高功率LED能在700毫安因应一枚芯片至5枚芯片,产生125~800流明的亮度。

除了LED封装之外,LED驱动IC于车灯与主照明系统中,也扮演提高转换效率和可靠度的重要角色。

提升电源转换效率/可靠度LED驱动IC担当重任

根据市调机构IMS预测,至2012年,全球LED车灯驱动IC出货量将由2005年的一百四十万颗,大幅增长达七千二百四十万颗,2005~2012年年复合增长率(CAGR)高达86.4%。由于增长力道惊人,吸引众多LED驱动IC厂商进驻。

考虑瞬间电压脉冲宽范围电压LED车灯驱动IC为决胜关键

车灯与LED操作电压同为直流(DC)电,加上电压伏特数值偏小,如小车约12伏特、大车为24伏特,因此功能诉求与设计较为简单。但须特别注意的是,汽车发电机仍为充电来源,而瞬间发电时会产生瞬间电压脉冲,因此LED驱动IC可承受的电压范围要更广,已成为车灯模块商选购的必备条件。

美国国家半导体(NS)针对车灯市场开发出LM3421、LM3423两款LED驱动IC,可提供宽范围的输入电压达4.5~75伏特、能安装升/降压电路、适应冷车启动(Cold-Crank)与负载突降(LoadDump)情况,及提供过电流、过电压和过温故障警示保护。此外,为提高LED驱动IC的稳定性及能与主系统连接,该公司透过增加LED驱动IC接脚数量的设计达成此目标。

美国国家半导体分析,汽车电子在高电压时会升至50~60伏特;在低温及无电源下,电压会下降至7~8伏特,因此LED车灯驱动IC的工作电压范围需较宽,以支持不同车灯的瞬间电压脉冲需求。

另一方面,聚积科技借助电路与制程达到LED车灯驱动IC对温升的要求。聚积科技指出,聚积科技所提供的高稳定性LED驱动IC能降低热的产生,因此开发的LED车灯驱动IC在105℃下仍可维持正常运作。而不同于美国国家半导体、聚积科技等LED驱动IC制造商,德州仪器仅将主力市场锁定LED主照明。

LED主照明驱动IC技术门坎高参考设计/客制化需求大

相对于LED车灯,主照明设计困难度在于使用交流对直流(AC-DC)的操作电压,LED须要搭配变压器和固定散热座,才能完成LED灯具设计。因此,LED驱动IC的应用电路是否匹配电子式变压器的重要性愈加突显。

至今,德州仪器已开发出可匹配投射灯电子式变压器的LED驱动IC。德州仪器指出,目前市面上部分厂商推出的LED驱动IC会有闪烁弊病,正是因为不匹配的缘故。

此外,过去LED灯泡会加装散热片,因此容易导电,而传统的作法为透过AC-DC降压电路隔离,其通过提供直流电驱动LED,但容易导致触电,无法通过安规。

现在最新的两种作法为分别透过机构与电器隔离,前者可符合安规要求,不过成本与生产难度较大;因此德州仪器的作法为采取电器隔离,能兼顾效能、成本与制造难度考虑。

另一方面,AC-DC电源转换会使用变压器,其内含电解电容组件,会产生化学电解液,若遇到高温会被蒸发,此时电容的电容值会减少,会造成电路运作失误的发生,使电源受到损坏。考虑上述问题,因此业界开始选用固态电容取代电解电容,以尽量缩减电解电容数量,如现今德州仪器的MR16方案已完全使用固态电容。而北美照明市场盛行的三极管交流电(TRIAC)调光功能,原本仅能用于传统灯源,但现今LED驱动IC设计厂商透过TRIAC的截波(TRIAC-choppedWaveform)转为DIM信号之后译码,即可支持100:1的调光比,实现LED灯源的TRIAC调光功能。

专家认为,北美已有相当比重的家庭使用调光器,为响应节能减排,TRIAC搭配LED光源的市场已开始萌芽,惟导通后须维持电流的一致性,否则将会出现闪烁现象,此外,安规也待确立,预计LED加上TRIAC的商品将于第三季问世。

着眼于LED调光器的需求量增长,德州仪器藉由IC控制法则达成调光匹配,以期分一杯羹。德州仪器将电源设计为线性驱动,其固定导通工作周期的控制法则会跟随正弦波的正常波形达成调光功能,德州仪器LED驱动IC功率因子(PF)大于0.96、电流谐波小于6%,另透过三极管交流电(TRIAC)配合调光功能。

由于LED灯具设计较为复杂,因此相对于车灯市场,对于高整合度和客制化方案需求量大。即便灯具大厂已设有电源与灯具部门,对于评估模块(EVM)的需求仍相当大,针对此一需求,德州仪器倾向推出更贴近实际应用的EVM,换言之,为提供配合客户主机板外观尺寸(FormFactor)的电路设计,其几乎等同于半成品的模块,因此获客户青睐。

发光效率/价格为LED车灯/主照明系统设计发展窒碍

白光LED的发展带来前所未有的解决方案,设计人员现在有更大的弹性可尝试各类型的车灯外观,有特色的车灯甚至会逐渐成为汽车的标志。

若要安装LED作为标准的车头灯,整体系统需重新规划,如更成熟的温度管理、最佳化的高分辨率光学设备及连接汽车电力系统的最佳化电子设备,此外车灯未来所要面临的严峻挑战将来自车外应用亮度要求。

现今,车尾灯、第三剎车灯、方向灯、侧灯、近光灯及远光灯等车外照明应用均要求高流明数,而事实上,流明数取决于所用光学设备的效率,照明所采用的光学系统愈经济,显示应用所需的流明值愈低。第三剎车灯的要求为25~60流明、方向灯为50~120流明,依欧美或其它地区标准而订,此外,近光灯和远光灯需要高亮度,目前每颗LED的数值定为400流明,至于法令则要求车头灯流明值为1,500流明,同样此数据也依据使用的光学及温度系统方案而定。此外,昼型灯或其它车灯对于光源的均匀性要求也相当严格,但受限于LED物理特性,仍难以突破。

至于LED主照明方面,厂商普遍认为,LED主照明仍需要一段时间酝酿才会真正达成大量商品化,其中价格为关键点之一。此外,现今LED散热、电源驱动寿命与灯可匹配性、智能化控制及价格为LED灯具系统亟待克服的课题。

 
 
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