歐盟與其他各國陸續宣佈新車加裝晝行燈，以及全面禁用、禁產白熾燈法令後，再加上安規驗證標準已準備就緒，在在激勵LED車燈和主照明需求攀升。為趕搭市場商機，LED元件、LED驅動IC及系統等廠商也加緊祭出完整方案，以分食這一巨大商機。

 

歐盟規範於2012年全部車種的新車均須安裝專屬晝行燈(DRL)，以確保行車更加安全。此外，包括歐盟、英國、日本、新西蘭、澳大利亞、加拿大、美國、阿根廷等國家已正式宣佈，最遲於2014年將全面禁用與禁產白熾燈。在各國政策推動下，發光二極體(LED)晝行燈和主照明應用儼然已成為繼背光源與路燈照明市場後，LED廠商全力佈局的商機焦點。 

 

 

為了讓行車更加安全，歐盟率先於2008年9月24日公告，要求自2011年2月始，所有小轎車、小貨車的新車型均須配備晝行燈；而其他貨車、巴士則是自2012年8月7日起須配備晝行燈。除了歐盟之外，其他各國也陸續著手規範全部車種的新車須安裝晝行燈，目前僅有加拿大法規容許以近光燈代替晝行燈。

 

專家指出，由於晝行燈必須在車輛行駛中保持亮度，傳統晝行燈的耗電量為頭燈的25～30%，於是具備低耗電量與長使用壽命優勢的LED光源成為廠商研發新潮流，若使用LED晝行燈僅須消耗頭燈10%的電力。考慮行車的安全性及節能需求趨勢下，開發LED晝行燈將勢在必行，成為LED廠商拓展車燈市場的新商機。

 

現今，汽車製造商奧迪(Audi)推展LED晝行燈最為積極，旗下A8、R8及A4系列皆已配備LED晝行燈，A8採用飛利浦(Philips)Lumileds的Luxeon Emittor作為晝行燈光源；R8和A4則選用歐司朗光電半導體(Osram Opto Semiconductor))的Advanced Power TopLED與Golden DRAGON LED；甚至預計於2010年發表的第三代A8也將全面導入LED晝行燈。此外，不少汽車製造商已於今年上半年推出的新車款也配備LED晝行燈，如賓士(Benz)等。

 

事實上，除了晝行燈之外，LED已經廣泛應用于車內照明，包括儀錶板、背光按鈕、天窗、抬頭顯示器等。歐司朗光電半導體表示，車內隨選選色(Color on Demand)功能讓汽車製造商可使用公司特有的識別顏色，創造與競爭對手的差異性，或於不同系列使用不同顏色加以區別。

 

另外，LED外部車燈的使用比重也持續攀升，如2008年凱迪拉克(Cadilac)Escalade首先採用LED車頭燈。飛利浦Lumileds表示，上市的淩志(Lexus)LS600h及奧迪R8均已裝載LED車頭燈，其中淩志選用的即是飛利浦Lumileds及日亞(Nichia)的高功率LED。至於LED於第三剎車燈、車尾燈、方向燈、側燈、近光燈及遠光燈等需求量也日益增長。LED也經常使用于中型車款的車尾燈，除考慮尺寸小、溫度穩定及使用壽命長等特性外，另一優勢為反應速度快，可在駕駛者踏下剎車板的瞬間亮起。例如日產(Nissan)Tiana後燈和克萊斯勒(Chrysler)第三剎車燈、方向燈及後照燈皆已採用LED光源。

 

即便LED剎車燈、方向燈等信號燈技術已臻成熟，但LED車頭燈、前霧燈等照明燈類仍未普及，然受惠於各國晝行燈法令的頒佈，LED晝行燈已成為炙手可熱的車燈應用。 

 

另一方面，為了順應節能減排大趨勢，各國自2009年起陸續停止生產、禁用白熾燈泡，尤其歐盟各國將自今年9月始，禁止銷售100瓦傳統燈泡，2012年全面禁用所有傳統燈泡，為最早實施的區域。

 

根據市調機構LEDinside預測，隨著各國政府禁用白熾燈的時間表相繼出爐，全球整體照明產品更新效應將於2010～2012年逐漸發酵，至2012年，LED照明領域年複合增長率高達33%。而在LED發光效率逐漸提升及成本下降下，未來LED照明將可切入室內照明領域。

 

在各國政府節能政策推波助瀾下，勢將帶動LED晝行燈及主照明市場需求，為及早確保產品的性能、可靠度及安全性，歐盟、北美政府與安規驗證機構也責無旁貸，已針對車燈和主照明訂定出相關的標準與安規認證。 

       

 

歐盟針對LED晝行燈與車頭燈分別制定出ECE R112、ECE R87規範，專家指出，LED車燈與傳統車燈驗證截然不同，由於LED光源點亮後照度會逐步提升，稱為穩定期，因此歐盟規定LED光源須在點亮1分鐘內達到最低照度要求，並於點亮30分鐘後達到穩定期照度，也即在點亮後1分鐘及30分鐘內，亮度值達到不同車燈類型的上、下限值之內，如晝行燈上、下限值個別為1,200cd和400cd；而根據歐盟LED方向燈規範ECE R6規定，上、下限值是1,000cd及175cd；至於LED位置燈ECE R7上、下限值則為17cd、4cd。另外，他補充說到，使用比重逐漸提高的LED車頭燈，以及車尾燈、剎車燈同樣毋須長時間點亮，因此並不要求長時間的照度穩定，為車燈驗證的例外。

 

再者，值得關注的是，由所有英國保險公司聯合號召的Thatcham聯盟，偕同德國萊因針對理賠要求所制定的非強制性EMC驗證服務，其主要適應LED車燈需要額外的電池回路系統，為保障駕駛者于車內的安全，因此要求整車須進行電磁相容(EMC)的驗證，以確認車輛內任何的電器系統均達到公定的EMC規格要求。任何車輛內新增的電子產品也必須通過EMC驗證，此對於後裝市場(AM)影響性較大，該聯盟並期望此服務能拓展至歐洲各國。此外，Thatcham驗證專案尚包括後裝產品是否符合原裝產品的規格要求，包含功能與組裝性。 

 

目前主要代表性車燈客戶為歐司朗、飛利浦、Valeo、Narva等，不過車市現況不佳，驗證訂單也跟著縮水，至於國內，則尚未接獲車燈驗證需求，不過隨著LED車燈更為普及，國內汽車製造商使用LED車燈比重也會大幅提升，現有過半比例汽車配備LED剎車燈、方向燈等，因此國內汽車廠商驗證LED車燈的需求量較大。

 

而LED主照明與車燈驗證項目大相徑庭，大多時候，車燈與人體接觸的機會較低，因此毋需電氣安規要求；反之，LED主照明則有此需求。此外，LED車燈僅有系統須要驗證；然而LED照明安規驗證專案則涵蓋LED元件及系統。

 

不同的LED照明的安規要求迥異，此外歐美對於照明設備的安規標準也不盡相同，主要差別在於電壓(歐洲230伏特、北美120伏特)、對於安全考慮的標準以及因應不同結構的差異性。

 

 

LED照明驗證主要專案為電氣安全測試、光學特性、EMC安全測試及歐盟廢舊電子電器設備指令(WEEE)/電氣電子設備有害物質限用指令(RoHS)指令符合性測試。李志明建議，不同燈具的驗證價格不一，為有效縮減驗證成本，廠商須找尋符合安規條件的元件。

 

相較於德國萊因，於北美LED照明安規驗證市場較為活躍的UL，除了LED燈具之外，也特別針對LED組件制定出安規驗證草案UL Subject 8750。UL Subject 8750針對LED元件的安規驗證專案包括發光模組、控制回路及電源供應。

 

UL表示，由於先前傳統燈具安規認證未考慮LED組件特性，因此UL Subject 8750系補強LED應用于傳統燈具系統安規標準的不足，並適用於所有LED燈具的安規驗證。 

 

至於LED燈具安規驗證項目則涵蓋異常測試、電器規格和機械強度，因此除了所有燈具的基本測試，如溫度、異常測試與絕緣特性外，考慮LED屬於半導體元件，與傳統燈源特性相去懸殊，因此特別規劃異常測試項目，而機械強度方面，主要對於結構進行審查，確認開關、電源線規格是否符合燈具要求，以及相關電器間距是否引發短路現象，以避免出現短路、開路或回路超載情形。

 

然而，雖然在政府政策與驗證護航之下，LED車燈與主照明後勢可期，但與背光源和路燈照明相比，汽車與主照明應用的設計要求更為嚴苛，尤其是用於車頭燈和室內主要光源時，LED的散熱、發光效率與可靠度均面臨極大挑戰。因此，為搶攻此兩大潛力市場，LED廠商已陸續研發出更高發光效率的LED與新式的散熱、封裝技術，加速市場成形。 

 

根據市調機構Strategies Unlimited資料顯示，2012年全球高亮度LED市場產值將由2007年的46億美元，攀升至114億美元，其中照明與背光源應用為主要增長力道，2012年市場滲透率分別達到12%、44%，車燈則維持12%的市占率。由此可知，無論車燈或是主照明市場，已成為LED廠商垂涎的目標。

 

為能分食市場大餅，LED廠商競相推出改善LED散熱、發光效率與可靠度的解決方案。飛利浦Lumileds已為LED車燈領域的代表性廠商之一，其所研發的Luxeon Rebel系列高功率LED產品在車燈業界夙負盛名，其特色為不對稱的LED架構設計，在散熱與發光效率皆深具市場競爭力。

 

專家認為，LED的發光效率與溫度有很大的關連性，當溫度增加時，發光效率會降低，透過晶片的封裝技術，可改進散熱缺陷提高發光效率，如歐司朗光電半導體的五顆晶片OSTAR最高流明值為1,000流明，但其熱阻僅3K/W；最新推出的1瓦OSLON SSL LED，其7K/W低熱阻改進散熱管理。

 

另外，歐司朗光電半導體針對晝行燈、車頭燈已分別開發出Golden DRAGON LED、Advanced Power TopLED與OSTAR Headlamp LED，前者的氮化銦鎵(ThinGaN)晶片以350毫安培的工作電流產生64流明的亮度，順向電流已從3.8伏特減至3.2伏特。每盞車頭燈只需四枚Golden DRAGON LED便能於日間產生足夠的光線，耗電量也低。至於OSTAR Headlamp LED，可輕易達到鹵素燈的亮度，每顆LED各有最多五枚緊密薄膜晶片，符合AEC-Q101汽車標準。依據串聯的晶片數量，該款高功率LED能在700毫安培因應一枚晶片至5枚晶片，產生125～800流明的亮度。

 

除了LED封裝之外，LED驅動IC於車燈與主照明系統中，也扮演提高轉換效率和可靠度的重要角色。

 

 

根據市調機構IMS預測，至2012年，全球LED車燈驅動IC出貨量將由2005年的一百四十萬顆，大幅增長達七千二百四十萬顆，2005～2012年年複合增長率(CAGR)高達86.4%。由於增長力道驚人，吸引眾多LED驅動IC廠商進駐。

 

 

車燈與LED操作電壓同為直流(DC)電，加上電壓伏特數值偏小，如小車約12伏特、大車為24伏特，因此功能訴求與設計較為簡單。但須特別注意的是，汽車發電機仍為充電來源，而瞬間發電時會產生瞬間電壓脈衝，因此LED驅動IC可承受的電壓範圍要更廣，已成為車燈模組商選購的必備條件。

 

美國國家半導體(NS)針對車燈市場開發出LM3421、LM3423兩款LED驅動IC，可提供寬範圍的輸入電壓達4.5～75伏特、能安裝升/降壓電路、適應冷車啟動(Cold-Crank)與負載突降(Load Dump)情況，及提供過電流、過電壓和過溫故障警示保護。此外，為提高LED驅動IC的穩定性及能與主系統連接，該公司透過增加LED驅動IC接腳數量的設計達成此目標。

 

 

美國國家半導體分析，汽車電子在高電壓時會升至50～60伏特；在低溫及無電源下，電壓會下降至7～8伏特，因此LED車燈驅動IC的工作電壓範圍需較寬，以支援不同車燈的瞬間電壓脈衝需求。

 

另一方面，聚積科技借助電路與制程達到LED車燈驅動IC對溫升的要求。聚積科技指出，聚積科技所提供的高穩定性LED驅動IC能降低熱的產生，因此開發的LED車燈驅動IC在105℃下仍可維持正常運作。 而不同於美國國家半導體、聚積科技等LED驅動IC製造商，德州儀器僅將主力市場鎖定LED主照明。

 

 

相對於LED車燈，主照明設計困難度在於使用交流對直流(AC-DC)的操作電壓，LED須要搭配變壓器和固定散熱座，才能完成LED燈具設計。因此，LED驅動IC的應用電路是否匹配電子式變壓器的重要性愈加突顯。

 

至今，德州儀器已開發出可匹配投射燈電子式變壓器的LED驅動IC。德州儀器指出，目前市面上部分廠商推出的LED驅動IC會有閃爍弊病，正是因為不匹配的緣故。

 

此外，過去LED燈泡會加裝散熱片，因此容易導電，而傳統的作法為透過AC-DC降壓電路隔離，其通過提供直流電驅動LED，但容易導致觸電，無法通過安規。

 

現在最新的兩種作法為分別透過機構與電器隔離，前者可符合安規要求，不過成本與生產難度較大；因此德州儀器的作法為採取電器隔離，能兼顧效能、成本與製造難度考慮。

 

另一方面，AC-DC電源轉換會使用變壓器，其內含電解電容元件，會產生化學電解液，若遇到高溫會被蒸發，此時電容的電容值會減少，會造成電路運作失誤的發生，使電源受到損壞。考慮上述問題，因此業界開始選用固態電容取代電解電容，以儘量縮減電解電容數量，如現今德州儀器的MR16方案已完全使用固態電容。而北美照明市場盛行的三極管交流電(TRIAC)調光功能，原本僅能用於傳統燈源，但現今LED驅動IC設計廠商透過TRIAC的截波(TRIAC-chopped Waveform)轉為DIM信號之後解碼，即可支援100：1的調光比，實現LED燈源的TRIAC調光功能。

 

專家認為，北美已有相當比重的家庭使用調光器，為回應節能減排，TRIAC搭配LED光源的市場已開始萌芽，惟導通後須維持電流的一致性，否則將會出現閃爍現象，此外，安規也待確立，預計LED加上TRIAC的商品將于第三季問世。

 

著眼於LED調光器的需求量增長，德州儀器藉由IC控制法則達成調光匹配，以期分一杯羹。德州儀器將電源設計為線性驅動，其固定導通工作週期的控制法則會跟隨正弦波的正常波形達成調光功能，德州儀器LED驅動IC功率因數(PF)大於0.96、電流諧波小於6%，另透過三極管交流電(TRIAC)配合調光功能。

 

由於LED燈具設計較為複雜，因此相對於車燈市場，對於高整合度和客制化方案需求量大。即便燈具大廠已設有電源與燈具部門，對於評估模組(EVM)的需求仍相當大，針對此一需求，德州儀器傾向推出更貼近實際應用的EVM，換言之，為提供配合客戶主機板外觀尺寸(Form Factor)的電路設計，其幾乎等同於半成品的模組，因此獲客戶青睞。

 

 

白光LED的發展帶來前所未有的解決方案，設計人員現在有更大的彈性可嘗試各類型的車燈外觀，有特色的車燈甚至會逐漸成為汽車的標誌。

 

若要安裝LED作為標準的車頭燈，整體系統需重新規劃，如更成熟的溫度管理、最佳化的高解析度光學設備及連接汽車電力系統的最佳化電子設備，此外車燈未來所要面臨的嚴峻挑戰將來自車外應用亮度要求。

 

現今，車尾燈、第三剎車燈、方向燈、側燈、近光燈及遠光燈等車外照明應用均要求高流明數，而事實上，流明數取決於所用光學設備的效率，照明所採用的光學系統愈經濟，顯示應用所需的流明值愈低。第三剎車燈的要求為25～60流明、方向燈為50～120流明，依歐美或其他地區標準而訂，此外，近光燈和遠光燈需要高亮度，目前每顆LED的數值定為400流明，至於法令則要求車頭燈流明值為1,500流明，同樣此資料也依據使用的光學及溫度系統方案而定。此外，晝型燈或其他車燈對於光源的均勻性要求也相當嚴格，但受限於LED物理特性，仍難以突破。

 

至於LED主照明方面，廠商普遍認為，LED主照明仍需要一段時間醞釀才會真正達成大量商品化，其中價格為關鍵點之一。此外，現今LED散熱、電源驅動壽命與燈可匹配性、智慧化控制及價格為LED燈具系統亟待克服的課題。 

 

文章來源:光電新聞網  2009-08-20