高功率LED車用信號燈

項(xiàng)新

摘 要：本文意在研發(fā)一款高功率LED汽車信號燈，以替代汽車上的傳統(tǒng)光源信號燈。本文采用了具有故障檢測的LED線性恒流驅(qū)動(dòng)電路，并采用了圓弧狀梯形鑄鋁支架的結(jié)構(gòu)作為輔助散熱，使得LED信號燈的亮度在不受電壓變化影響的同時(shí)，還有效地控制LED的燈具溫度，從而大大延長LED燈具的使用壽命。

關(guān)鍵詞：LED;線性恒流驅(qū)動(dòng);散熱

1 引言

汽車信號系統(tǒng)是汽車比較主要的主動(dòng)式安全裝置。汽車信號燈的功能是顯示車輛的存在和傳達(dá)車輛行駛狀態(tài)的信息，以確保行車安全。就目前而言，LED光源是最有前景的汽車信號燈光源。汽車信號燈是汽車的關(guān)鍵部件，也是表示汽車動(dòng)態(tài)信息的最主要裝置，安裝在車身前后，在汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)開啟，它為行車安全提供了保障。高功率LED信號燈的應(yīng)用將大大提升汽車信號系統(tǒng)的功能水平，為行車安全的提供重要的保障。

2 面臨的技術(shù)難點(diǎn)

本文意為設(shè)計(jì)一款集轉(zhuǎn)向燈和位置燈功能的組合前燈，和傳統(tǒng)光源的車燈相比區(qū)別很大，需要在開發(fā)前期著重考慮以下幾點(diǎn)：

（1）雖然LED和傳統(tǒng)光源相比，其中一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)就是壽命長，但是如果在設(shè)計(jì)電路時(shí)考慮不周，LED的使用壽命將會受到比較大的影響，如何有效提高LED的使用壽命需要在電路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮。

（2）汽車常規(guī)的電源電壓一般是12V，但在實(shí)際應(yīng)用中，電源電壓并不是一成不變的，一般是在6V-19V之間變化，同時(shí)還會伴隨著高達(dá)幾十伏的瞬間峰值電壓和低于6V的冷啟動(dòng)電壓[1]。因此需要防止LED由于正向電壓的變化而引起的電流變動(dòng)，同時(shí)保證LED的亮度趨于穩(wěn)定。

（3）LED在汽車信號燈的應(yīng)用越來越多，而汽車對信號燈的亮度是有法規(guī)規(guī)定的，它不允許亮度低于法規(guī)值，但LED在汽車的信號燈應(yīng)用上通常都是以多光源的形式存在，使用過程中如果一部分LED損壞，其他LED還可以正常點(diǎn)亮，往往這時(shí)候信號燈的亮度已經(jīng)遠(yuǎn)低于法規(guī)值，而此時(shí)駕駛員又無法準(zhǔn)確識別信號燈已經(jīng)損壞，這對行車帶來一定的安全隱患。

（4）LED芯片屬于半導(dǎo)體材料，在工作時(shí)受周圍環(huán)境溫度的影響較大。相對于傳統(tǒng)車燈，盡管燈泡所產(chǎn)生的熱遠(yuǎn)高于LED，但燈泡輸出的亮度不會因?yàn)闊岫l(fā)生變化，其熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是殼體內(nèi)的均溫設(shè)計(jì)[2]。而LED的光輸出卻會因?yàn)樽陨淼臒峄騺碜园l(fā)動(dòng)機(jī)艙的高溫而影響本身結(jié)溫穩(wěn)定，溫度越高，發(fā)光效率越低，如果不能有效控制LED工作環(huán)境的溫度，那么溫度的升高將會引起LED性能下降甚至失效。

（5）成本因素：即使LED在車用照明上有諸多優(yōu)勢，但是在成本上和傳統(tǒng)光源相比就顯得劣勢了很多。目前國內(nèi)大部分LED廠都只是樹脂封裝廠，核心的芯片全部為國外進(jìn)口，并且只掌握在幾家比較知名的品牌手中，所以使用高功率LED設(shè)計(jì)車用信號燈的成本相對傳統(tǒng)光源將高出很多。

3 本文的設(shè)計(jì)思路

3.1 設(shè)計(jì)原理

通過對以上技術(shù)難點(diǎn)的分析，本文最終決定采用具有故障檢測的LED線性恒流驅(qū)動(dòng)電路。

該電路包括LED驅(qū)動(dòng)電路、LED照明電路，其中LED驅(qū)動(dòng)電路和LED照明電路相連。此驅(qū)動(dòng)電路包括輸入保護(hù)電路、故障檢測控制電路，其中輸入保護(hù)電路通過電源線和LED驅(qū)動(dòng)電路相連，故障檢測控制電路分別和輸入保護(hù)電路、LED驅(qū)動(dòng)電路、LED照明電路相連。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還整合了自檢電路模塊，當(dāng)在LED燈具發(fā)生故障時(shí)及時(shí)切斷LED供電電源，這樣車身BCM模塊發(fā)現(xiàn)該信號燈無電流時(shí)就會給駕駛員發(fā)出報(bào)警信號，從而提示駕駛員進(jìn)行更換，提高行車安全。

因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是集轉(zhuǎn)向燈和位置燈為一體的組合前燈，所用均為大功率LED，成本壓力比較大。目前市場上的LED DC-DC驅(qū)動(dòng)電路都需要半導(dǎo)體廠家設(shè)計(jì)的專用芯片來控制，這些芯片的價(jià)格都較高，而且基本都是國外進(jìn)口件。通過對兩種燈功能重要程度的判定，最終決定轉(zhuǎn)向燈采用升降壓型驅(qū)動(dòng)電路，通過芯片來控制;位置燈采用降壓型驅(qū)動(dòng)電路，并采用分立器件來構(gòu)建，這樣可以節(jié)約很大的成本。

3.2 輔助散熱設(shè)計(jì)

LED前組合燈的散熱，主要通過熱傳導(dǎo)和對流換熱兩種方式進(jìn)行散熱。具體過程為：LED 芯片產(chǎn)生的熱量，經(jīng)過金屬電極或者金屬散熱墊傳導(dǎo)到殼體上，再經(jīng)殼體傳導(dǎo)到金屬基板上，接著通過熱界面材料傳導(dǎo)到金屬散熱器上，金屬散熱器再將熱量傳導(dǎo)至散熱器遠(yuǎn)端，最后通過與周圍空氣的對流換熱，把熱量發(fā)散到空氣中，這就是LED光源的完整散熱過程[3]。

金屬基板雖然解決了LED芯片及其電路的固定安裝和導(dǎo)熱問題，但對于大功率LED光源，金屬基板的散熱遠(yuǎn)不能滿足要求，必須還要連接一個(gè)散熱器來將熱量進(jìn)一步傳導(dǎo)，最后耗散到空氣中。考慮到燈具的整體造型及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，本文采用了圓弧狀梯形鑄鋁支架的散熱結(jié)構(gòu)?；⌒谓Y(jié)構(gòu)不僅提高了燈具的觀賞性而且增加了LED的散熱面積，并且在保證LED發(fā)光亮度的同時(shí)還增加了LED的發(fā)光面積，提高了行車安全性。

金屬基板與散熱支架的連接，最簡單的辦法就是用螺釘或鉚釘連接，但這種連接方式會因?yàn)槎弑砻娌黄蕉a(chǎn)生空隙。因此，需要在二者之間填充一種軟性材料，用來隔絕空氣的存在[4]。本文最終采用導(dǎo)熱硅脂作為媒介，使得LED產(chǎn)生的熱量通過導(dǎo)熱硅脂傳遞給散熱支架，散熱支架發(fā)出的熱量再次傳遞給空氣。散熱支架的設(shè)計(jì)通過這一特點(diǎn)把散熱筋的方向設(shè)計(jì)跟空氣流向一致，減少空氣流通阻力，通過熱空氣帶動(dòng)氣流，以起到有效地散熱。

4 結(jié)論

目前該設(shè)計(jì)已經(jīng)通過了質(zhì)量檢測和相關(guān)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過客戶反饋，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了要求。該設(shè)計(jì)和之前的傳統(tǒng)光源信號燈相比，顏色更穩(wěn)定，不會因?yàn)槭褂脮r(shí)間長顏色發(fā)生改變，并且節(jié)能省電，最重要的是點(diǎn)亮速度快，反應(yīng)時(shí)間短，所以能夠迅速的向其他車輛傳遞信息，這就大大保障了行車安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]付賢政.高亮度車用燈驅(qū)動(dòng)電路研究[J].榆林學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，21（04）.

[2]張曉玲，衛(wèi)修明.LED汽車前大燈散熱與光衰研究[J].安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，25（01）.

[3]劉鵬.LED汽車前照燈散熱分析與優(yōu)化[D].武漢工程大學(xué)，2015.

[4]殷錄橋，張金龍，宋朋等.熱界面材料對高功率LED熱阻的影響[J].光電子激光，2013，24（10）：1862-1867.