打开文本图片集
摘 要：汽车灯具对于安全行驶起着重要的作用。以其使用功能区分，汽车灯具主要分为两大类：照明灯和信号灯。文章着重介绍了LED用作汽车信号灯光源的特点，从光源的固定结构、配光结构、LED的选型等方面着重讨论LED光源信号灯的设计原则及设计方法。
关键词：信号灯;LED;设计原则
中图分类号：U463.7+9 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）24-242-05
Design method and process of automobile LED signal lamp
Zhou Xiang
（ Anhui Jianghuai Automobile Group Co.， Ltd.， Anhui Hefei 230022 ）
Abstract： 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.Keywords： Signal lamp; LED; Design principlesCLC NO.： U463.7+9 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）24-242-05
引言
目前，汽车上的灯具按功能分为照明灯和信号灯。信号灯主要包括转向灯、制动灯、位置灯、后雾灯、倒车灯等，主要作用为表明车辆的某一种状态，使道路其它使用者得到警示并规避车辆风险。信号灯按光源分为普通灯泡信号灯和LED信号灯。普通灯泡信号灯与LED信号灯设计上的区别主要在于：a、光源的固定结构设计;b、配光结构设计;c、光源的功率选型及颗粒数;d、LED灯的电路设计;e、LED灯的散热设计。
1 设计方案简介
由于普通灯泡的信号灯设计已较为成熟，因此本文主要针对与普通灯泡信号灯差异部分的计要点进行说明，主要分为：a、光源的固定结构设计;b、配光结构设计;c、光源的功率选型及配光设计;d、电路设计;e、散热设计。
2 光源的固定结构设计
2.1 设计原则
LED光源颗粒与配光结构之间的位置偏差对LED信号灯的配光值偏差有较大影响，因此，为了保证实物样件配光值与模拟配光值的一致性，LED光源颗粒与配光结构之间必须制作定位结构，减小LED光源颗粒与配光结构之间的位置偏差。
2.2 结构设计
2.2.1 LED的布置及发光方式主要有以下几种直发光式、侧发光式、光导式、厚壁式等。
3 配光结构设计
3.1 设计原则
配光结构设计主要以配光照度值符合法规要求为原则，兼顾造型。
3.2 结构设计
3.2.1 反射碗式信号灯
3.2.1.1 反射碗开口尺寸大小及深度要求
3.2.2 光导管式信号灯
3.2.2.1 光导管最小直径
3.2.2.2 厚壁注塑式信號灯
3.2.2.3 壁厚尺寸大小、发光面面积 （最小厚度）
4 光源选型
4.1 设计原则
光源选型涉及如下几项：a、光源颜色、b、光源颗粒数、c、光源功率。
光源颜色由功能及面罩颜色共同决定。光源颗粒数由造型定义，与供应商共同商讨确认颗粒数。光源功率由光源光通量决定，配光需求光通量由光源光通量、光源颗粒数、光源光通量利用率决定。
4.2 光源选型
4.2.1 光源颜色
4.2.2 光源功率
配光需求光通量=光源光通量×光源颗粒数×光通量利用率
5 电路设计
5.1 设计原则
电路须有防EMC设计。
5.2 电路设计
5.2.1 电路形式选择
灯具常用电路分为：1）非恒流电阻分压电路。2）线性恒流电路。3）IC恒流电路。电路举例：
非恒流电阻分压电路：
该电路形式适用范围：2W以下恒流精度要求不高，输入： DC9-16V，输出：DC2-8V。
电路如图2所示。该电路优点：简单无干扰、成本低;缺点：非恒流，亮度会有明暗波动，且效率较低。
电子元器件BOM如下表所示：
设计原理：
此电路为转向灯的电路，典型输入电压为13.5V，输出为两并四串黄光灯珠，每颗灯珠流过电流为30mA，则输出为8V，60mA。
C1、C2为滤波电容，因该电路电流较小，纹波在80mA以内，故选型为2.2uF/35V的陶瓷电容。在输入电压不稳时，该电容可以有效的平滑输入电压。
ZD1为防雷管，故选型为SMBJ30CA，可以防止500W以内的雷击，并吸收30V以上的电压尖峰。主要作用为消弱高压脉冲的电压，减小对内部电路的损害，在瞬间过电压时，起到吸收高压保护电路的作用。
D1为整流二极管，因电路电流为80mA以内，故选型为SGC10MH。主要作用为防止输入正负极反接。
R1、R2为分压电阻，通过计算输入电压减去输出电压再除以所需电流，故选型为150Ω/1206封装。主要作用是使电路稳定在需要的电流值上，在长时间过电压时，可以分担一定的电压值。
LED1--LED8为黄光LED灯珠。
线性恒流电路：
该电路形式适用范围：5W以下恒流精度要求较高，输入： DC9-16V，输出：DC2-8V。
电路如图3所示。该电路优点：简单稳定，只需考虑对内的电磁干扰;缺点：不能使用大功率，输入电压范围较窄。
电子元器件BOM如表8所示：
设计原理：
此电路为尾灯位置灯的电路，典型输入电压为13.5V，输出为两并三串红光灯珠，每颗灯珠流过电流为50mA，则输出为6V，100mA。
C1、C2为滤波电容，因该电路电流较小，纹波在120mA以内，故选型为2.2uF/35V的陶瓷电容。在输入电压不稳时，该电容可以有效的平滑输入电压。
ZD1为防雷管，故选型为SMBJ30CA，可以防止500W以内的雷击，并吸收30V以上的电压尖峰。主要作用为消弱高压脉冲的电压，减小对内部电路的损害，在瞬间过电压时，起到吸收高压保护电路的作用。
D1为整流二极管，考虑电路最大电流在120mA内，故选型为SGC10MH。主要作用为防止输入正负极反接。
Q1为功率三极管，和Q2构成了恒流电路，因流经电流较大，且位于接地端，故采用NPN型三极管MJD44H11。
Q2为提供恒流用参考电压的三极管，功率可以不高，故采用NPN型三极管MMBT4401。
R1、R2为分压电阻，通过计算最低输入电压减去输出电压再除以所需电流，故选型为30Ω/1206封装。主要作用是在输入电压过高时为功率三极管分担一定的电压值，避免三极管功率过高而损坏。
R3为驱动三极管Q1和Q2提供电流用，不需要电流过大以影响效率，故可采用1K/0805的电阻
R4、R5为采样电阻，通过计算参考电压0.65V除以电流值，故选型为13Ω/1206封装。主要作用是使电路稳定在需要的电流值上，实现恒流。
LED1--LED6为红光LED灯珠。
IC恒流电路：
该电路形式适用范围： 适用于高功率电源，恒流精度要求很高的场所，输入： DC5-40V，输出： DC4-48V。优点：恒流，含有芯片控制，功能较多且输入电压范围广，适用于大功率;缺点：成本高、需考虑EMC、故障率较高。
电路如图4所示：
电子元器件BOM如表9所示：
设计原理：
此电路为制动灯的电路，典型输入电压为13.5V，输出为三并两串红光灯珠，每颗灯珠流过电流为500mA，则输出为4V，1.5A。
选择芯片NCV3065（U1）的方案来做这款电源，NCP3065为安森美公司专门制作汽车级芯片，该芯片是高达1.5A恒流开关稳压器，输入电压从3.0V到40V，反馈电压235mV，工作频率可调整到高达250kHz，逐个周期限流，主要用在汽车照明。
D1为整流二极管，考虑该电路前级电路电流在1A左右，故选型为MBR340T3G。该二极管为3A40V的肖特基二极管，足以满足电路功能并尽量减小了损耗，D1作用为防止输入正负极反接。
TVS1为防雷管，故选型为SMBJ30CA，可以防止500W以内的雷击，并吸收30V以上的电压尖峰。主要作用为消弱高压脉冲的电压，减小对内部电路的损害，在瞬间過电压时，起到吸收高压保护电路的作用。
C1、C2、C3、C4为滤波电容，其中C1、C2、C3选择4.7uF的大电容来对输入电压进行滤波处理，使得波形平滑，C4选择100NF的小电容，用以滤除传导而来的干扰。
R1、R2、R3、R4为电路尖峰电流检测电阻，主要作用是限制电路中的尖峰电流，消除EMC，此四个电容为并联在一起，计算时，先测算出电路流经的电流，然后通过参考电压除以允许的最大尖峰电流，得出的结果为此四个电阻并联的值，计算的结果为0.075Ω，故采用四个0.3Ω的电阻并联。
R5、Q1、Q2、D4组成一个由芯片控制外部MOS开关的电路，其中Q2是作为开关器件的P型MOS，这里选型为ATP112.该MOS的Vdss为60V，Id为25A，内阻为43毫欧，可以在满足工作的情况下，温升极低。Q1选型为NPN型三极管，主要作用快速为Q2导通和关断，提供所需的高低电平，D4选型为肖特基二极管SS14，作用为把MOS管Gate级的电压泄放掉。R5为限流电阻，提供小电流，避免电流过大而增加损耗。
R6为为反馈电路电阻，作用为把输出端电流值变为电压值输入芯片COMP脚和芯片的基准电压进行比较。
R7、R8、R9为采样电阻，通过计算参考电压0.23V除以电流值，故选型为三个0.4Ω/1206封装电阻并联。主要作用是使电路稳定在需要的电流值上，实现恒流。
R10电阻为快速放电电阻，在输入关闭后，可以快速放掉电容的电，使得LED及时熄灭，在此选用100K/1206封装的电阻。
C5为该电路中调节频率的电容，再次采用了2.2nF的电容，此电容对应频率为170KHz，满足电路工作需求。
C6、C7、C8、C9、C10为输出端滤波电容，其中C6、C7、C8、C9为6.8uF/1206封装，用来消除电流纹波，使得输出稳定，C10为100nF/0805封装电容，主要作用是用来滤除输出电路的杂波，避免受到干扰。
D2、D3为续流二极管，因为输出的电流为1.5A，输出电压为4V，频率为10KHz，按照这个规格，我们选取了两个MBR340T3G进行并联，由上边D1可知，这两个并联可承担6A的电流，且为40V耐压值的肖特基二极管，可以满足需求。
L1为BUCK电路中的储能电感，需要考虑电感本身的电感值以及经过的最大电流值，本电路输出为1.5A，考虑到纹波电流以及热量的影响，我们选择3A的电感，通过电感的计算，我们采用的是15UH的电感值，该电感可以在BUCK电路中不停的充放电，使得电路正常工作。
LED1--LED6为红光LED灯珠。
6 散热设计
6.1 设计原则
根据选定的LED的最大Tj值要求，进行LED散热设计。散热设计的前提是保证LED有稳定的光输出。基本原则是LED在工作条件下的温升加上环境温度Ta。不应超过LED结点使用温度（参照各LED特性参数说明）。
6.2 散热设计
LED散热方式根据LED的不同封装形成和不同功率而有所不同。并同时考虑车灯造型设计、结构设计等方面因素;
6.2.1 LED光衰验证
环境温度：常温：实验时间：30min
固定PCB板面积：如图5所示：
对单面板，双面板，Al-PCB板，FPC都进行LED光衰验证。恒定电流lf（参考LED特性参数说明），增压。30min对比1min测试光通量，直至光衰临近15%：在光衰临近15%的情况下，对应LED的输入功率。得出限定各PCB板上所用元器件的最大输入功率和散热面积。
6.2.2 电阻元器件功率输入验证实验
环境温度：70℃：实验时间：1hour
固定PCB板面积：如图5示
对单面板，双面板，Al-PCB都进行电阻实验，固定功率电阻值，输入不定电压值。直至电阻焊点温度临近100℃：对应该条件下电阻的输入功率。得出限定各PCB板上所用元器件的最大输入功率和散热所需面积。
6.2.3 实验结果
对比LED光衰验证实验和电阻元器件功率输入验证实验，得出比较严格的设计要求，以供LED灯具设计时参考。
如果出于散热外其他原因选择了表中不可选的选项或者散热面积无法满足要求时，需要设计使用散热器。
6.2.4 散热器应用标准制定实验设计方案
A）散热器高度/间隔大小验证实验设计方案
环境温度70℃：实验时间：1 hour针对Al-PCB电阻元器件的样件。固定输入电压。针对三个不同的散热器分别进行实验，测定焊点温度差异，得出经验公式：D=0.12H，单位：cm²（D为截面表面积，H为间距）
散热器尺寸图，6所示：
B）散热器面积对应散热器功率值
环境温度：70℃：实验时间：1 hour对电阻输入--电压，固定功率值，电阻使用散热器后，得到--焊点温度T1：然后取下散热器，对电阻重新输入电压值，使得焊点温度值与焊点温度T1一致。计算得出输入功率值差异，即为散热器散热面积对应功率值Q。
7 结论
作为一种新型光源，LED已经开始在汽车信号灯上使用。LED灯具在设计方面与传统白炽灯灯具不尽相同，有其自身的特点，所以在进行灯具设计时要充分考虑到这些特点，从而提高设计质量。
参考文献
[1] GB 25991-2010.汽车用LED前照灯[S].北京：中国标准出版社， 2011.
[2] 陈波.基于LED的汽车后组合灯关键技术研究[D].武汉理工大学， 2006.
[3] 刘静.LED照明系统的研究与设计[D].延安大学，2009.
[4] 張立，孙徐佳，董锋格.基于CAN/LIN总线的LED车灯控制，诊断及保护[J].灯与照明，2014：47-50.
相关热词搜索： 信号灯 浅谈 流程 方法 汽车
