LED導光條用于汽車尾燈的設計

牛明旭 李孝祿 施慧 張遠輝 李運堂

摘 要：設計了一款基于LED導光條的汽車尾燈。結合光學配光要求，利用CATIA進行導光條的結構設計，利用Cadence進行LED驅動電路設計并進行電路模擬，利用TracePro對導光條光源進行光學分析，最后對設計的導光條進行了光學實測。結果證明該設計達到了GB5920-2008對車燈的要求。

關鍵詞：汽車尾燈；LED導光條；CATIA；Cadence；TracePro

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.004

0 引言

近年來，汽車工業飛速發展，作為汽車必不可少的功能組件，同時又具有視覺美學作用的汽車車燈，扮演著較重要的角色。現有的LED汽車燈具大多光通利用率低、分布面積大、視覺效果不均勻，而光導技術可擺脫以上因素的制約。本文利用知識集成的思想[1]，使用多款軟件集成設計了一款LED導光條的汽車尾燈。

1 尾燈設計

1.1 外觀造型設計

本設計采用略帶弧度的圓柱直線作為LED導光條的基體，在LED導光條的出光面再加上一層PMMA材質的磨砂面，增強其在各個視角上的可視度及視覺舒適性。導光條背面為密集的鋸齒，為了讓光線在導光條里傳播的時候，能有序而均勻的被反射，而不是全部發生全反射。

1.2 光源位置布置

本次設計的導光條因曲率較小，不存在光源布置位置影響出光均勻的問題。但考慮到美觀和隱藏光源的因素，將LED光源布置在導光條的右側，這樣能很好地將光源隱藏，達到美觀的視覺效果。

1.3 LED驅動電路的設計

汽車蓄電池或者發電機輸出電壓范圍為10.5-14.5V，電壓波動較大，電流不穩定。LED光源LA G6SP在正常工作時的正向電壓為2V左右，電流為140mA，且LED的亮度對電流的波動較為敏感，因此必須對電壓和電路進行限制。本設計穩壓模塊采用NUD4001。

設計選擇90℃下的Vsense值，即0.6。采用3塊NUD4001輸出端并聯，達到140mA輸出電流的目的。則每塊芯片輸出電流為47mA，因此Rext=0.6/0.047=13Ω，故取Rext=13Ω。

1.4 LED導光條光學設計

將LED導光條模型導入TracePro，并與LA G6SP確定好相對位置，一般LED光源出光面與導光條的間距在0.5-1mm左右。

2 仿真與實測

2.1 LED驅動電路的仿真

LED驅動電路部分如圖1所示，在汽車電源輸入NUD4001之前加了整流濾波電路消除干擾，有利于輸出電流的穩定。

使用Cadence OrCAD Capture自帶的SPice A/D仿真模塊進行仿真。在90℃的溫度下，3個NUD4001驅動芯片并聯輸入輸出電壓曲線如圖2所示：

由圖可以看出，隨著輸入電壓從0V到15V不斷上升，其輸出電壓也隨之變化，在輸入電壓達到8.5V時，其輸出電壓開始穩定，并一直保持在7.8V。說明NUD4001具有較寬的穩壓范圍。

在90℃的溫度下，3個NUD4001驅動芯片并聯輸出電流特性曲線如圖3所示。

可以看出，在輸入電壓達到7.3V左右時，其芯片的輸出電流開始穩定，并一直保持在150mA左右，與LA G6SP的140mA最佳工作電流很接近。

2.2 LA G6SP仿真

分別在兩個LED的電壓輸入端，兩個LED之間以及輸出端觀察期電壓變化，其電壓波形如圖4所示。

由圖4看出，LED的電壓曲線和NUD4001的輸出電壓曲線走勢一致，在NUD4001的輸出電壓穩定之后，LED的壓降也保持穩定。

隨著芯片和LED自身發熱導致溫度升至90度時，LA G6SP的功耗的曲線如圖5。

在90℃下，當芯片的輸入電壓達到8.5V時，LA G6SP的功耗達到最大穩定值450mW左右。

2.3 整體功耗仿真與實測

本研究使用測試電源輸出功率的方法間接得到功耗。由于電源是釋放出功率的器件，故在下文的圖表中其功率值為負值。仿真曲線見圖6。

圖6可以看到，在電壓達到8V之后，隨著電壓繼續上升，LA G6SP的發光強度并沒有明顯的變化，在電壓從8V到15V之間，LED的亮度基本沒有變化。

圖7為電源輸出電壓-功率曲線。

由圖7可以看出，在電壓達到8V之前，仿真曲線和實測曲線基本一致。但是到了8V之后，實測曲線并沒有表現出仿真曲線近似的直線性。原因為仿真曲線是在各元件都工作在典型狀態下，故和真實的工作條件有一定的差別，同時PSpice A/D器件的熱模擬的能力有限，內部的元件自帶的溫度數據有限，并不能真實的反應實際的工作狀態。

2.4 光學實測

由于國標要求車燈的參數無法在仿真軟件里測得，必須進行實測，來驗證仿真的結果是否符合仿真結果。依據GB5920-2008，使用遠方光電的G0-HD5標準化暗室對車燈的光通量進行測量。設置好電壓13.5V，測試距離3.16米，點亮15分鐘后進行第一次測試，第一次測試后繼續點亮30分鐘，進行第二次測試，結果數據如表1。

從表中可以看出，該后位置燈配光性能滿足國標的要求。

3 結束語

本設計利用知識集成的思想，從導光條結構設計、LED驅動電路的設計和光學設計三個方面展開，使用了CATIA、Cadence OrCAD Capture和TracePro三個主流設計軟件，并進行了光學實測。結果表明，本設計可以達到國標GB5920-2008的要求。

參考文獻：

[1]李孝祿，王文越，王旭，吳霞，張偉.基于知識集成能力的實驗平臺的開發[J].實驗技術與管理，2016，33（03）：16-19.