淺談汽車LED信號燈設計方法及流程

周翔

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淺談汽車LED信號燈設計方法及流程

周翔

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230022）

汽車燈具對于安全行駛起著重要的作用。以其使用功能區(qū)分，汽車燈具主要分為兩大類：照明燈和信號燈。文章著重介紹了LED用作汽車信號燈光源的特點，從光源的固定結構、配光結構、LED的選型等方面著重討論LED光源信號燈的設計原則及設計方法。

信號燈；LED；設計原則

引言

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

1 設計方案簡介

由于普通燈泡的信號燈設計已較為成熟，因此本文主要針對與普通燈泡信號燈差異部分的計要點進行說明，主要分為：a、光源的固定結構設計；b、配光結構設計；c、光源的功率選型及配光設計；d、電路設計；e、散熱設計。

2 光源的固定結構設計

2.1 設計原則

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

2.2 結構設計

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、側發(fā)光式、光導式、厚壁式等。

圖1 LED發(fā)光方式

3 配光結構設計

3.1 設計原則

配光結構設計主要以配光照度值符合法規(guī)要求為原則，兼顧造型。

3.2 結構設計

3.2.1反射碗式信號燈

3.2.1.1 反射碗開口尺寸大小及深度要求

表1 反射碗開口尺寸大小及深度要求（單位：mm）

3.2.2光導管式信號燈

3.2.2.1 光導管最小直徑

表2 光導管最小直徑（單位：mm）

3.2.2.2 厚壁注塑式信號燈

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 設計原則

光源選型涉及如下幾項：a、光源顏色、b、光源顆粒數、c、光源功率。

光源顏色由功能及面罩顏色共同決定。光源顆粒數由造型定義，與供應商共同商討確認顆粒數。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、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×光通量利用率

表5 需求光通量

表6 光通量利用率

5 電路設計

5.1 設計原則

電路須有防EMC設計。

5.2 電路設計

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：簡單無干擾、成本低；缺點：非恒流，亮度會有明暗波動，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

設計原理：

此電路為轉向燈的電路，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以內，故選型為2.2uF/35V的陶瓷電容。在輸入電壓不穩(wěn)時，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以內的雷擊，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，減小對內部電路的損害，在瞬間過電壓時，起到吸收高壓保護電路的作用。

D1為整流二極管，因電路電流為80mA以內，故選型為SGC10MH。主要作用為防止輸入正負極反接。

R1、R2為分壓電阻，通過計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，在長時間過電壓時，可以分擔一定的電壓值。

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：簡單穩(wěn)定，只需考慮對內的電磁干擾；缺點：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

設計原理：

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以內，故選型為2.2uF/35V的陶瓷電容。在輸入電壓不穩(wěn)時，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以內的雷擊，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，減小對內部電路的損害，在瞬間過電壓時，起到吸收高壓保護電路的作用。

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

Q1為功率三極管，和Q2構成了恒流電路，因流經電流較大，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，通過計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高時為功率三極管分擔一定的電壓值，避免三極管功率過高而損壞。

R3為驅動三極管Q1和Q2提供電流用，不需要電流過大以影響效率，故可采用1K/0805的電阻

R4、R5為采樣電阻，通過計算參考電壓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，實現恒流。

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所，輸入： DC5-40V，輸出： DC4-48V。優(yōu)點：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：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

設計原理：

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

選擇芯片NCV3065（U1）的方案來做這款電源，NCP3065為安森美公司專門制作汽車級芯片，該芯片是高達1.5A恒流開關穩(wěn)壓器，輸入電壓從3.0V到40V,反饋電壓235mV，工作頻率可調整到高達250kHz，逐個周期限流，主要用在汽車照明。

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

TVS1為防雷管，故選型為SMBJ30CA，可以防止500W以內的雷擊，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，減小對內部電路的損害，在瞬間過電壓時，起到吸收高壓保護電路的作用。

C1、C2、C3、C4為濾波電容，其中C1、C2、C3選擇4.7uF的大電容來對輸入電壓進行濾波處理，使得波形平滑，C4選擇100NF的小電容，用以濾除傳導而來的干擾。

R1、R2、R3、R4為電路尖峰電流檢測電阻，主要作用是限制電路中的尖峰電流，消除EMC，此四個電容為并聯在一起，計算時，先測算出電路流經的電流，然后通過參考電壓除以允許的最大尖峰電流，得出的結果為此四個電阻并聯的值，計算的結果為0.075Ω，故采用四個0.3Ω的電阻并聯。

R5、Q1、Q2、D4組成一個由芯片控制外部MOS開關的電路，其中Q2是作為開關器件的P型MOS，這里選型為ATP112.該MOS的Vdss為60V，Id為25A，內阻為43毫歐，可以在滿足工作的情況下，溫升極低。Q1選型為NPN型三極管，主要作用快速為Q2導通和關斷，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級的電壓泄放掉。R5為限流電阻，提供小電流，避免電流過大而增加損耗。

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腳和芯片的基準電壓進行比較。

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

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

C5為該電路中調節(jié)頻率的電容，再次采用了2.2nF的電容，此電容對應頻率為170KHz，滿足電路工作需求。

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，因為輸出的電流為1.5A，輸出電壓為4V，頻率為10KHz，按照這個規(guī)格，我們選取了兩個MBR340T3G進行并聯，由上邊D1可知，這兩個并聯可承擔6A的電流，且為40V耐壓值的肖特基二極管，可以滿足需求。

L1為BUCK電路中的儲能電感，需要考慮電感本身的電感值以及經過的最大電流值，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，通過電感的計算，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 散熱設計

6.1 設計原則

根據選定的LED的最大Tj值要求，進行LED散熱設計。散熱設計的前提是保證LED有穩(wěn)定的光輸出?；驹瓌t是LED在工作條件下的溫升加上環(huán)境溫度Ta。不應超過LED結點使用溫度（參照各LED特性參數說明）。

6.2 散熱設計

LED散熱方式根據LED的不同封裝形成和不同功率而有所不同。并同時考慮車燈造型設計、結構設計等方面因素；

6.2.1 LED光衰驗證

環(huán)境溫度：常溫：實驗時間：30min

固定PCB板面積：如圖5所示：

圖5 本基準實驗用PCB樣件尺寸

對單面板，雙面板，Al-PCB板，FPC都進行LED光衰驗證。恒定電流lf(參考LED特性參數說明)，增壓。30min對比1min測試光通量，直至光衰臨近15%：在光衰臨近15%的情況下，對應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證實驗

環(huán)境溫度：70℃：實驗時間：1hour

固定PCB板面積：如圖5示

對單面板，雙面板，Al-PCB都進行電阻實驗，固定功率電阻值，輸入不定電壓值。直至電阻焊點溫度臨近100℃：對應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實驗結果

對比LED光衰驗證實驗和電阻元器件功率輸入驗證實驗，得出比較嚴格的設計要求，以供LED燈具設計時參考。

如果出于散熱外其他原因選擇了表中不可選的選項或者散熱面積無法滿足要求時， 需要設計使用散熱器。

表10 PCB板類型選擇及PCB板面積計算參考

6.2.4散熱器應用標準制定實驗設計方案

A）散熱器高度/間隔大小驗證實驗設計方案

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行實驗，測定焊點溫度差異，得出經驗公式：D=0.12H，單位：cm2（D為截面表面積，H為間距）

散熱器尺寸圖，6所示：

圖6 散熱器尺寸差異效果對比

B）散熱器面積對應散熱器功率值

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功率值Q。

7 結論

作為一種新型光源，LED已經開始在汽車信號燈上使用。LED燈具在設計方面與傳統白熾燈燈具不盡相同，有其自身的特點，所以在進行燈具設計時要充分考慮到這些特點，從而提高設計質量。

[1] GB 25991-2010.汽車用LED前照燈[S].北京:中國標準出版社, 2011.

[2] 陳波.基于LED的汽車后組合燈關鍵技術研究[D].武漢理工大學, 2006.

[3] 劉靜.LED照明系統的研究與設計[D].延安大學,2009.

[4] 張立,孫徐佳,董鋒格.基于CAN/LIN總線的LED車燈控制,診斷及保護[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，就職于江淮汽車技術中心技術研究項目管理部，從事汽車技術研究管理工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.087