淺談汽車LED前照燈設(shè)計方法及流程

吳露露

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230022）

引言

隨著LED光源技術(shù)的發(fā)展，汽車LED照明應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，開發(fā)LED光源的大燈已經(jīng)成為現(xiàn)在市場的迫切需求，對提升江淮汽車產(chǎn)品競爭力和品牌美譽度有重要影響。

LED前大燈與普通鹵素、氙氣大燈的主要區(qū)別在于 LED模塊的結(jié)構(gòu)、散熱和電路設(shè)計，因此，本設(shè)計指南從LED模塊的結(jié)構(gòu)、散熱和電路設(shè)計三個方面闡述LED前大燈的設(shè)計要點。

1 LED前照燈設(shè)計流程簡介

1.1 設(shè)計流程

開發(fā)指令及造型輸入、成本重量指標(biāo)輸入、方案說明及構(gòu)想、結(jié)構(gòu)設(shè)計、電子設(shè)計、CAE分析、結(jié)構(gòu)快件制作、結(jié)構(gòu)評審、夜間照明效果評審、改進(jìn)、設(shè)計凍結(jié)。

1.2 前期相關(guān)輸入

1.2.1 造型輸入

造型效果輸入決定了結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，結(jié)構(gòu)設(shè)計形式分為：矩陣反射碗式、矩陣遠(yuǎn)近光分體透鏡式、遠(yuǎn)近光一體透鏡式。

圖1 LED前照燈結(jié)構(gòu)實例

1.2.2 成本重量輸入

成本輸入決定了LED顆粒數(shù)量及電路形式，包括：1顆式5芯LED，3+2式5顆2芯LED。

重量輸入決定了散熱形式及材料選擇，包括：散熱采用主動散熱還是別動散熱，透鏡選擇玻璃材料還是塑料材料。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 LED雙光透鏡結(jié)構(gòu)組成

表1 LED雙光透鏡零部件清單

2.2 散熱器設(shè)計

2.2.1 散熱器類型

圖2 LED雙光透鏡結(jié)構(gòu)示意

表2 散熱器類型

散熱器分為主動散熱和被動散熱兩種，主動散熱是依靠風(fēng)扇加快熱量流通，散熱效率更高；被動散熱依靠鑄鋁將熱量疏散。被動散熱可以滿足的情況下，優(yōu)先選擇被動散熱形式。

2.2.2 散熱設(shè)計及驗證方案

根據(jù)選定的LED的最大Tj值要求，進(jìn)行LED散熱設(shè)計。散熱設(shè)計的前提是保證LED有穩(wěn)定的光輸出.基本原則是LED在工作條件下的溫升加上環(huán)境溫度Ta.不應(yīng)超過LED結(jié)點使用溫度（參照各LED特性參數(shù)說明）

A）散熱器高度/間隔大小驗證實驗設(shè)計方案

環(huán)境溫度70℃：實驗時間：1 hour

針對Al-PCB電阻元器件的樣件。固定輸入電壓.針對三個不同的散熱器分別進(jìn)行實驗，測定焊點溫度差異，得出經(jīng)驗公式：D=0.12H，單位：cm2（D為截面表面積，H為間距）

散熱器尺寸圖5所示

圖3 散熱器尺寸差異效果對比

B）散熱器面積對應(yīng)散熱器功率值

環(huán)境溫度：70℃：實驗時間：1 hour

對電阻輸入--電壓。固定功率值。電阻使用散熱器后。得到--焊點溫度T1：然后取下散熱器。對電阻重新輸入電壓值。使得焊點溫度值與焊點溫度T1一致。計算得出輸入功率值差異。即為散熱器散熱面積對應(yīng)功率值Q。

2.3 電子設(shè)計

2.3.1 輸入條件

驅(qū)動電路設(shè)計前，需得到LED顆粒型號、數(shù)量、工作電流等設(shè)計輸入，才可以進(jìn)行準(zhǔn)確的電路設(shè)計。

LED的顆粒型號由功能燈所需的配光光通量及LED顆粒數(shù)量決定。

表3 LED顆粒配置

LED顆粒的數(shù)量由燈具造型和配光需求決定。其中燈具造型中有明確顆粒數(shù)的，可以直接確定LED顆粒數(shù)；若造型上無明顯的顆粒數(shù)要求，則由功能燈的配光光通量及LED顆粒型號來決定LED的顆粒數(shù)量。

LED的工作電流由配光所需光通量、LED數(shù)量、LED顆粒型號共同決定。通常LED的工作電流盡量選擇LED顆粒型號所用的正常額定工作電流。

目前，市場上主流LED透鏡雙光配置如表3。

隨著流明值越大，顆粒的數(shù)量及功率越大，成本也越高，在透鏡設(shè)計過程中需根據(jù)光學(xué)需求等級進(jìn)行顆粒配置的選擇。

2.4 電路設(shè)計

通常遠(yuǎn)近光燈所需的配光光通量較大，LED總功率需求在20W左右，若采用較低電氣效率的電路會導(dǎo)致有較大的發(fā)熱量，因此，均會采用高電氣效率的IC恒流的控制電路。

IC恒流控制電路，均采用DC/DC變換器，對輸入/輸出電壓進(jìn)行調(diào)配，具體是采用升壓式變換器還是降壓式電路，根據(jù)LED的顆粒數(shù)量進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計

遠(yuǎn)近光燈功能IC芯片在市場上有多種型號及規(guī)格芯片，芯片的選擇取決于芯片的穩(wěn)定性、廠家選擇芯片的通用性以及芯片的供貨量，芯片應(yīng)具有欠壓保護、過壓保護、LEDbin管理、熱管理、開短路保護、診斷等功能。

本文選擇的芯片為 TI LM3423，該芯片對于升壓、降壓電路均適用。

此IC芯片功能及工作原理說明：施加電源后，IC控制切換元件進(jìn)行開關(guān)，持續(xù)調(diào)整切換元件的開關(guān)比例，并同時偵測輸出電流是否到達(dá)設(shè)定的點，若達(dá)到設(shè)定點則固定開關(guān)比例，且持續(xù)將輸入電源轉(zhuǎn)換成LED所需的能量。

此IC芯片內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如下：

圖4 IC芯片內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖

TI LM3423芯片運用典型例

升壓電路典型電路如圖5所示：

降壓電路典型電路如圖6所示：

升降壓電路典型例如圖7所示：

圖5 升壓電路典型電路圖

圖6 降壓電路典型電路圖

圖7 升降壓電路典型電路圖

3 結(jié)論

本文通過對LED前照燈設(shè)計流程及設(shè)計原則的介紹，明確了一般LED前照燈的設(shè)計方法，此流程基于國內(nèi)某車廠多款LED前照燈開發(fā)總結(jié)歸納而來。隨著LED前照燈的不斷開發(fā)，本文所介紹的設(shè)計流程需要不斷更新、優(yōu)化。