淺談汽車激光前照燈設計規(guī)范

劉盛德，劉攀，雷旭，黃占君，初翔杰

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

繼LED大燈之后，激光大燈被稱為“合理的下一步”，更加節(jié)能、環(huán)保。激光大燈和其它大燈區(qū)別主要是發(fā)光的光源，激光大燈的光源來自于激光二極管，激光二極管在電子、通訊等很多領域都有廣泛應用，所以技術也已經(jīng)成熟。激光大燈發(fā)光效率高、能耗低、體積小、壽命長、響應速度快。加上智能化車燈系統(tǒng)的應用，激光大燈相對于其它光源大燈，優(yōu)勢就更加突出。所以智能化的激光大燈，是未來車輛照明系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。文章主要通過對歐司朗已經(jīng)成熟開發(fā)應用的激光光源模塊進行解析，總結出關于一套激光大燈的設計規(guī)范。

1 激光大燈發(fā)光原理及簡介

1.1 激光光源發(fā)光原理

所謂激光光源即激光發(fā)射器，產(chǎn)生激光的必不可少條件是粒子數(shù)反轉和增益大于損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵源及具有亞穩(wěn)態(tài)能級的工作介質(zhì)兩個部分。激勵源是工作介質(zhì)吸收外來能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉創(chuàng)造條件。激勵方式有光學激勵、電激勵、化學激勵和核能激勵等。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)能級，能夠使受激輻射占主導地位，從而實現(xiàn)光放大。激光器中常見的組成部分還有諧振腔，但諧振腔（見光學諧振腔）并非必不可少的組成部分，諧振腔可使腔內(nèi)的光子有一致的頻率、相位和運行方向，從而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地縮短工作物質(zhì)長度，還能通過改變諧振腔長度來調(diào)節(jié)所產(chǎn)生激光的模式（即選模），所以一般激光器都具有諧振腔。

圖1 激光器的基本結構示意圖

激光大燈中所用的激光發(fā)射器為半導體激光器，統(tǒng)稱為激光二極管。激光二極管具有體積小、重量輕、結構簡單、制作簡單、成本低、易于大量生產(chǎn)、使用壽命長等突出特點，較適合應用于前照燈照明。

1.2 激光光源模塊簡介

目前，歐司朗已開發(fā)出應用于前大燈的激光光源模塊，該模塊可直接發(fā)出白光，原理如下：激光二極管發(fā)射出波長為450nm的藍色激光光束，激光光束透過激光反射鏡聚焦到黃色熒光粉，部分藍光轉化為黃光，部分藍光直接通過，藍光與黃光混合變?yōu)榘坠?，如下圖所示。

圖2 激光光源模塊發(fā)光原理

光源模塊具體參數(shù)及結構如下：

表1 光源模塊參數(shù)

2 設計規(guī)范

2.1 設計原則及基本要求

2.1.1 激光光源僅作為輔助遠光進行開發(fā)

2.1.2 驅(qū)動模塊EMC性能滿足《GB 34660-2017 道路車輛

電磁兼容性要求和試驗方法》中的要求，電路須有防EMC設計；

2.1.3 滿足《GB/T 10485-2007 汽車和掛車外部照明和信號裝置基本環(huán)境試驗》的要求。

2.2 電路設計

2.2.1 電路形式選擇

歐司朗激光模塊驅(qū)動電流典型值為 1.1A，功率在 1.6W左右，激光光源與LED燈類似，屬于電流性光源，需采用電氣效率較高的的IC恒流控制電路。

由于采用一個激光模塊即可滿足遠光輔助照明亮度要求，根據(jù)激光器的電壓（1.5V左右），IC恒流控制電路采用降壓式電路即可滿足要求。

2.2.2 IC芯片選擇、電路及計算

（1）IC芯片選擇

文章中選擇的芯片為 TLD5097，該芯片對于升壓、降壓電路均適用。

（2）IC芯片電路

TLD5097芯片內(nèi)部電路結構如下：

圖3 TLD5097內(nèi)部電路結構

TLD5097芯片升降壓電路運用典型例如下圖所示：

圖4 TLD5097降壓電路運用

2.2.3 EMC防護設計

輸入端的EMC防護設計包括：大電壓防護、共模/差模噪聲濾波、高頻噪聲濾波、低頻噪聲濾波。

圖5 輸入端EMC防護電路示意圖

如上圖所示，TVS1為防雷管，主要作用是保護后級防浪涌脈沖的損壞，C1為濾波作用，D1為整流二極管，防反接作用，C2、C3、L1、C4、C5組成一個LC-Л濾波電路，主要是改善EMC電路。

輸出端的EMC防護設計包括：輸出典型整流、濾波，通常由一個LC-Л濾波電路構成，如下圖中L3、C11、C12、C13所示：

圖6 輸出端EMC防護電路示意圖

2.3 散熱設計

半導體激光二極管由于高功效，散熱性能較LED二極管散熱性能好，且歐司朗激光模塊中的半導體激光二極管采用緊湊型的 T056封裝，散熱性能得到提高。另外，激光模塊外表面采用鋁制外殼，使得半導體激光二極管得到更高效的散熱性能，歐司朗激光模塊不需要增加額外的散熱結構即可滿足激光二極管的散熱要求。

圖7 歐司朗激光模塊散熱示意圖

2.4 配光設計

激光大燈定向性強、發(fā)散度低，基于這一特性，激光一般應用于遠光輔助功能，對于燈光基本要求為：照射角度小，亮度大，照射距離大。具體路面照明效果要求如下：

表2 激光大燈路面照明效果要求

3 結論

文章闡述了汽車激光前大燈的設計規(guī)范，主要針對光源選擇、功能設計、光源參數(shù)設定、電路原理、散熱分析、路照效果等方面進行了全面、完整的方案說明。文章闡述的方案可以有效應用于汽車激光前大燈的設計，為汽車激光前大燈的設計提供了一種設計思路。