淺談汽車(chē)LED信號(hào)燈設(shè)計(jì)方法及流程

周翔

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淺談汽車(chē)LED信號(hào)燈設(shè)計(jì)方法及流程

周翔

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230022）

汽車(chē)燈具對(duì)于安全行駛起著重要的作用。以其使用功能區(qū)分，汽車(chē)燈具主要分為兩大類(lèi)：照明燈和信號(hào)燈。文章著重介紹了LED用作汽車(chē)信號(hào)燈光源的特點(diǎn)，從光源的固定結(jié)構(gòu)、配光結(jié)構(gòu)、LED的選型等方面著重討論LED光源信號(hào)燈的設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)方法。

信號(hào)燈；LED；設(shè)計(jì)原則

引言

目前，汽車(chē)上的燈具按功能分為照明燈和信號(hào)燈。信號(hào)燈主要包括轉(zhuǎn)向燈、制動(dòng)燈、位置燈、后霧燈、倒車(chē)燈等，主要作用為表明車(chē)輛的某一種狀態(tài)，使道路其它使用者得到警示并規(guī)避車(chē)輛風(fēng)險(xiǎn)。信號(hào)燈按光源分為普通燈泡信號(hào)燈和LED信號(hào)燈。普通燈泡信號(hào)燈與LED信號(hào)燈設(shè)計(jì)上的區(qū)別主要在于：a、光源的固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；b、配光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；c、光源的功率選型及顆粒數(shù)；d、LED燈的電路設(shè)計(jì)；e、LED燈的散熱設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介

由于普通燈泡的信號(hào)燈設(shè)計(jì)已較為成熟，因此本文主要針對(duì)與普通燈泡信號(hào)燈差異部分的計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明，主要分為：a、光源的固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；b、配光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；c、光源的功率選型及配光設(shè)計(jì)；d、電路設(shè)計(jì)；e、散熱設(shè)計(jì)。

2 光源的固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

LED光源顆粒與配光結(jié)構(gòu)之間的位置偏差對(duì)LED信號(hào)燈的配光值偏差有較大影響，因此，為了保證實(shí)物樣件配光值與模擬配光值的一致性，LED光源顆粒與配光結(jié)構(gòu)之間必須制作定位結(jié)構(gòu)，減小LED光源顆粒與配光結(jié)構(gòu)之間的位置偏差。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 LED的布置及發(fā)光方式主要有以下幾種

直發(fā)光式、側(cè)發(fā)光式、光導(dǎo)式、厚壁式等。

圖1 LED發(fā)光方式

3 配光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

配光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要以配光照度值符合法規(guī)要求為原則，兼顧造型。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1反射碗式信號(hào)燈

3.2.1.1 反射碗開(kāi)口尺寸大小及深度要求

表1 反射碗開(kāi)口尺寸大小及深度要求（單位：mm）

3.2.2光導(dǎo)管式信號(hào)燈

3.2.2.1 光導(dǎo)管最小直徑

表2 光導(dǎo)管最小直徑（單位：mm）

3.2.2.2 厚壁注塑式信號(hào)燈

3.2.2.3 壁厚尺寸大小、發(fā)光面面積 (最小厚度)

表3 壁厚尺寸大小、發(fā)光面面積 (最小厚度)

4 光源選型

4.1 設(shè)計(jì)原則

光源選型涉及如下幾項(xiàng)：a、光源顏色、b、光源顆粒數(shù)、c、光源功率。

光源顏色由功能及面罩顏色共同決定。光源顆粒數(shù)由造型定義，與供應(yīng)商共同商討確認(rèn)顆粒數(shù)。光源功率由光源光通量決定，配光需求光通量由光源光通量、光源顆粒數(shù)、光源光通量利用率決定。

4.2 光源選型

4.2.1光源顏色

表4 光源顏色

4.2.2光源功率

配光需求光通量=光源光通量×光源顆粒數(shù)×光通量利用率

表5 需求光通量

表6 光通量利用率

5 電路設(shè)計(jì)

5.1 設(shè)計(jì)原則

電路須有防EMC設(shè)計(jì)。

5.2 電路設(shè)計(jì)

5.2.1電路形式選擇

燈具常用電路分為：1）非恒流電阻分壓電路。2）線性恒流電路。3）IC恒流電路。電路舉例：

非恒流電阻分壓電路：

該電路形式適用范圍：2W以下恒流精度要求不高，輸入： DC9-16V，輸出：DC2-8V。

電路如圖2所示。該電路優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單無(wú)干擾、成本低；缺點(diǎn)：非恒流，亮度會(huì)有明暗波動(dòng)，且效率較低。

圖2 非恒流電阻分壓電路圖

電子元器件BOM如下表所示：

表7 電子元器件BOM

設(shè)計(jì)原理：

此電路為轉(zhuǎn)向燈的電路，典型輸入電壓為13.5V，輸出為兩并四串黃光燈珠，每顆燈珠流過(guò)電流為30mA，則輸出為8V，60mA。

C1、C2為濾波電容，因該電路電流較小，紋波在80mA以?xún)?nèi)，故選型為2.2uF/35V的陶瓷電容。在輸入電壓不穩(wěn)時(shí)，該電容可以有效的平滑輸入電壓。

ZD1為防雷管，故選型為SMBJ30CA，可以防止500W以?xún)?nèi)的雷擊，并吸收30V以上的電壓尖峰。主要作用為消弱高壓脈沖的電壓，減小對(duì)內(nèi)部電路的損害，在瞬間過(guò)電壓時(shí)，起到吸收高壓保護(hù)電路的作用。

D1為整流二極管，因電路電流為80mA以?xún)?nèi)，故選型為SGC10MH。主要作用為防止輸入正負(fù)極反接。

R1、R2為分壓電阻，通過(guò)計(jì)算輸入電壓減去輸出電壓再除以所需電流，故選型為150Ω/1206封裝。主要作用是使電路穩(wěn)定在需要的電流值上，在長(zhǎng)時(shí)間過(guò)電壓時(shí)，可以分擔(dān)一定的電壓值。

LED1--LED8為黃光LED燈珠。

線性恒流電路：

該電路形式適用范圍：5W以下恒流精度要求較高，輸入： DC9-16V，輸出：DC2-8V。

電路如圖3所示。該電路優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單穩(wěn)定，只需考慮對(duì)內(nèi)的電磁干擾；缺點(diǎn)：不能使用大功率，輸入電壓范圍較窄。

圖3 線性恒流電路圖

電子元器件BOM如表8所示：

表8 電子元器件BOM

設(shè)計(jì)原理：

此電路為尾燈位置燈的電路，典型輸入電壓為13.5V，輸出為兩并三串紅光燈珠，每顆燈珠流過(guò)電流為50mA，則輸出為6V，100mA。

C1、C2為濾波電容，因該電路電流較小，紋波在120mA以?xún)?nèi)，故選型為2.2uF/35V的陶瓷電容。在輸入電壓不穩(wěn)時(shí)，該電容可以有效的平滑輸入電壓。

ZD1為防雷管，故選型為SMBJ30CA，可以防止500W以?xún)?nèi)的雷擊，并吸收30V以上的電壓尖峰。主要作用為消弱高壓脈沖的電壓，減小對(duì)內(nèi)部電路的損害，在瞬間過(guò)電壓時(shí)，起到吸收高壓保護(hù)電路的作用。

D1為整流二極管，考慮電路最大電流在120mA內(nèi)，故選型為SGC10MH。主要作用為防止輸入正負(fù)極反接。

Q1為功率三極管，和Q2構(gòu)成了恒流電路，因流經(jīng)電流較大，且位于接地端，故采用NPN型三極管MJD44H11。

Q2為提供恒流用參考電壓的三極管，功率可以不高，故采用NPN型三極管MMBT4401。

R1、R2為分壓電阻，通過(guò)計(jì)算最低輸入電壓減去輸出電壓再除以所需電流，故選型為30Ω/1206封裝。主要作用是在輸入電壓過(guò)高時(shí)為功率三極管分擔(dān)一定的電壓值，避免三極管功率過(guò)高而損壞。

R3為驅(qū)動(dòng)三極管Q1和Q2提供電流用，不需要電流過(guò)大以影響效率，故可采用1K/0805的電阻

R4、R5為采樣電阻，通過(guò)計(jì)算參考電壓0.65V除以電流值，故選型為13Ω/1206封裝。主要作用是使電路穩(wěn)定在需要的電流值上，實(shí)現(xiàn)恒流。

LED1--LED6為紅光LED燈珠。

IC恒流電路：

該電路形式適用范圍： 適用于高功率電源，恒流精度要求很高的場(chǎng)所，輸入： DC5-40V，輸出： DC4-48V。優(yōu)點(diǎn)：恒流，含有芯片控制，功能較多且輸入電壓范圍廣，適用于大功率；缺點(diǎn)：成本高、需考慮EMC、故障率較高。

電路如圖4所示：

圖4 IC恒流電路圖

電子元器件BOM如表9所示：

表9 電子元器件BOM

設(shè)計(jì)原理：

此電路為制動(dòng)燈的電路，典型輸入電壓為13.5V，輸出為三并兩串紅光燈珠，每顆燈珠流過(guò)電流為500mA，則輸出為4V，1.5A。

選擇芯片NCV3065（U1）的方案來(lái)做這款電源，NCP3065為安森美公司專(zhuān)門(mén)制作汽車(chē)級(jí)芯片，該芯片是高達(dá)1.5A恒流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，輸入電壓從3.0V到40V,反饋電壓235mV，工作頻率可調(diào)整到高達(dá)250kHz，逐個(gè)周期限流，主要用在汽車(chē)照明。

D1為整流二極管，考慮該電路前級(jí)電路電流在1A左右，故選型為MBR340T3G。該二極管為3A40V的肖特基二極管，足以滿(mǎn)足電路功能并盡量減小了損耗，D1作用為防止輸入正負(fù)極反接。

TVS1為防雷管，故選型為SMBJ30CA，可以防止500W以?xún)?nèi)的雷擊，并吸收30V以上的電壓尖峰。主要作用為消弱高壓脈沖的電壓，減小對(duì)內(nèi)部電路的損害，在瞬間過(guò)電壓時(shí)，起到吸收高壓保護(hù)電路的作用。

C1、C2、C3、C4為濾波電容，其中C1、C2、C3選擇4.7uF的大電容來(lái)對(duì)輸入電壓進(jìn)行濾波處理，使得波形平滑，C4選擇100NF的小電容，用以濾除傳導(dǎo)而來(lái)的干擾。

R1、R2、R3、R4為電路尖峰電流檢測(cè)電阻，主要作用是限制電路中的尖峰電流，消除EMC，此四個(gè)電容為并聯(lián)在一起，計(jì)算時(shí)，先測(cè)算出電路流經(jīng)的電流，然后通過(guò)參考電壓除以允許的最大尖峰電流，得出的結(jié)果為此四個(gè)電阻并聯(lián)的值，計(jì)算的結(jié)果為0.075Ω，故采用四個(gè)0.3Ω的電阻并聯(lián)。

R5、Q1、Q2、D4組成一個(gè)由芯片控制外部MOS開(kāi)關(guān)的電路，其中Q2是作為開(kāi)關(guān)器件的P型MOS，這里選型為ATP112.該MOS的Vdss為60V，Id為25A，內(nèi)阻為43毫歐，可以在滿(mǎn)足工作的情況下，溫升極低。Q1選型為NPN型三極管，主要作用快速為Q2導(dǎo)通和關(guān)斷，提供所需的高低電平，D4選型為肖特基二極管SS14，作用為把MOS管Gate級(jí)的電壓泄放掉。R5為限流電阻，提供小電流，避免電流過(guò)大而增加損耗。

R6為為反饋電路電阻，作用為把輸出端電流值變?yōu)殡妷褐递斎胄酒珻OMP腳和芯片的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。

R7、R8、R9為采樣電阻，通過(guò)計(jì)算參考電壓0.23V除以電流值，故選型為三個(gè)0.4Ω/1206封裝電阻并聯(lián)。主要作用是使電路穩(wěn)定在需要的電流值上，實(shí)現(xiàn)恒流。

R10電阻為快速放電電阻，在輸入關(guān)閉后，可以快速放掉電容的電，使得LED及時(shí)熄滅，在此選用100K/1206封裝的電阻。

C5為該電路中調(diào)節(jié)頻率的電容，再次采用了2.2nF的電容，此電容對(duì)應(yīng)頻率為170KHz，滿(mǎn)足電路工作需求。

C6、C7、C8、C9、C10為輸出端濾波電容，其中C6、C7、C8、C9為6.8uF/1206封裝，用來(lái)消除電流紋波，使得輸出穩(wěn)定，C10為100nF/0805封裝電容，主要作用是用來(lái)濾除輸出電路的雜波，避免受到干擾。

D2、D3為續(xù)流二極管，因?yàn)檩敵龅碾娏鳛?.5A，輸出電壓為4V，頻率為10KHz，按照這個(gè)規(guī)格，我們選取了兩個(gè)MBR340T3G進(jìn)行并聯(lián)，由上邊D1可知，這兩個(gè)并聯(lián)可承擔(dān)6A的電流，且為40V耐壓值的肖特基二極管，可以滿(mǎn)足需求。

L1為BUCK電路中的儲(chǔ)能電感，需要考慮電感本身的電感值以及經(jīng)過(guò)的最大電流值，本電路輸出為1.5A，考慮到紋波電流以及熱量的影響，我們選擇3A的電感，通過(guò)電感的計(jì)算，我們采用的是15UH的電感值，該電感可以在BUCK電路中不停的充放電，使得電路正常工作。

LED1--LED6為紅光LED燈珠。

6 散熱設(shè)計(jì)

6.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)選定的LED的最大Tj值要求，進(jìn)行LED散熱設(shè)計(jì)。散熱設(shè)計(jì)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(guò)LED結(jié)點(diǎn)使用溫度（參照各LED特性參數(shù)說(shuō)明）。

6.2 散熱設(shè)計(jì)

LED散熱方式根據(jù)LED的不同封裝形成和不同功率而有所不同。并同時(shí)考慮車(chē)燈造型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面因素；

6.2.1 LED光衰驗(yàn)證

環(huán)境溫度：常溫：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：30min

固定PCB板面積：如圖5所示：

圖5 本基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)用PCB樣件尺寸

對(duì)單面板，雙面板，Al-PCB板，F(xiàn)PC都進(jìn)行LED光衰驗(yàn)證。恒定電流lf(參考LED特性參數(shù)說(shuō)明)，增壓。30min對(duì)比1min測(cè)試光通量，直至光衰臨近15%：在光衰臨近15%的情況下，對(duì)應(yīng)LED的輸入功率。得出限定各PCB板上所用元器件的最大輸入功率和散熱面積。

6.2.2電阻元器件功率輸入驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

環(huán)境溫度：70℃：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：1hour

固定PCB板面積：如圖5示

對(duì)單面板，雙面板，Al-PCB都進(jìn)行電阻實(shí)驗(yàn)，固定功率電阻值，輸入不定電壓值。直至電阻焊點(diǎn)溫度臨近100℃：對(duì)應(yīng)該條件下電阻的輸入功率。得出限定各PCB板上所用元器件的最大輸入功率和散熱所需面積。

6.2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比LED光衰驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和電阻元器件功率輸入驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得出比較嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求，以供LED燈具設(shè)計(jì)時(shí)參考。

如果出于散熱外其他原因選擇了表中不可選的選項(xiàng)或者散熱面積無(wú)法滿(mǎn)足要求時(shí)， 需要設(shè)計(jì)使用散熱器。

表10 PCB板類(lèi)型選擇及PCB板面積計(jì)算參考

6.2.4散熱器應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)制定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

A）散熱器高度/間隔大小驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

環(huán)境溫度70℃：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：1 hour

針對(duì)Al-PCB電阻元器件的樣件。固定輸入電壓。針對(duì)三個(gè)不同的散熱器分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)定焊點(diǎn)溫度差異，得出經(jīng)驗(yàn)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，6所示：

圖6 散熱器尺寸差異效果對(duì)比

B）散熱器面積對(duì)應(yīng)散熱器功率值

環(huán)境溫度：70℃：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：1 hour

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

7 結(jié)論

作為一種新型光源，LED已經(jīng)開(kāi)始在汽車(chē)信號(hào)燈上使用。LED燈具在設(shè)計(jì)方面與傳統(tǒng)白熾燈燈具不盡相同，有其自身的特點(diǎn)，所以在進(jìn)行燈具設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到這些特點(diǎn)，從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

[1] GB 25991-2010.汽車(chē)用LED前照燈[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2011.

[2] 陳波.基于LED的汽車(chē)后組合燈關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢理工大學(xué), 2006.

[3] 劉靜.LED照明系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].延安大學(xué),2009.

[4] 張立,孫徐佳,董鋒格.基于CAN/LIN總線的LED車(chē)燈控制,診斷及保護(hù)[J].燈與照明,2014:47-50.

Design method and process of automobile LED signal lamp

Zhou Xiang

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230022 )

Automobile lamps play an important role in safe driving. Distinguished from its use function, automobile lamps and lanterns are mainly divided into two categories: illuminator and signal lamp. This paper mainly introduces the characteristics of LED used as automotive signal lamp. The design principle and design method of LED light source signal lamp are discussed from the fixed structure, light distribution structure and selection of LED.

Signal lamp; LED; Design principles

B

1671-7988(2018)24-242-05

U463.7+9

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1671-7988(2018)24-242-05

U463.7+9

周翔，（1979-），男，就職于江淮汽車(chē)技術(shù)中心技術(shù)研究項(xiàng)目管理部，從事汽車(chē)技術(shù)研究管理工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.087