LED導(dǎo)光條用于汽車尾燈的設(shè)計(jì)

牛明旭 李孝祿 施慧 張遠(yuǎn)輝 李運(yùn)堂

摘 要：設(shè)計(jì)了一款基于LED導(dǎo)光條的汽車尾燈。結(jié)合光學(xué)配光要求，利用CATIA進(jìn)行導(dǎo)光條的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用Cadence進(jìn)行LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)并進(jìn)行電路模擬，利用TracePro對導(dǎo)光條光源進(jìn)行光學(xué)分析，最后對設(shè)計(jì)的導(dǎo)光條進(jìn)行了光學(xué)實(shí)測。結(jié)果證明該設(shè)計(jì)達(dá)到了GB5920-2008對車燈的要求。

關(guān)鍵詞：汽車尾燈；LED導(dǎo)光條；CATIA；Cadence；TracePro

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.004

0 引言

近年來，汽車工業(yè)飛速發(fā)展，作為汽車必不可少的功能組件，同時(shí)又具有視覺美學(xué)作用的汽車車燈，扮演著較重要的角色?，F(xiàn)有的LED汽車燈具大多光通利用率低、分布面積大、視覺效果不均勻，而光導(dǎo)技術(shù)可擺脫以上因素的制約。本文利用知識集成的思想[1]，使用多款軟件集成設(shè)計(jì)了一款LED導(dǎo)光條的汽車尾燈。

1 尾燈設(shè)計(jì)

1.1 外觀造型設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用略帶弧度的圓柱直線作為LED導(dǎo)光條的基體，在LED導(dǎo)光條的出光面再加上一層PMMA材質(zhì)的磨砂面，增強(qiáng)其在各個(gè)視角上的可視度及視覺舒適性。導(dǎo)光條背面為密集的鋸齒，為了讓光線在導(dǎo)光條里傳播的時(shí)候，能有序而均勻的被反射，而不是全部發(fā)生全反射。

1.2 光源位置布置

本次設(shè)計(jì)的導(dǎo)光條因曲率較小，不存在光源布置位置影響出光均勻的問題。但考慮到美觀和隱藏光源的因素，將LED光源布置在導(dǎo)光條的右側(cè)，這樣能很好地將光源隱藏，達(dá)到美觀的視覺效果。

1.3 LED驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)

汽車蓄電池或者發(fā)電機(jī)輸出電壓范圍為10.5-14.5V，電壓波動較大，電流不穩(wěn)定。LED光源LA G6SP在正常工作時(shí)的正向電壓為2V左右，電流為140mA，且LED的亮度對電流的波動較為敏感，因此必須對電壓和電路進(jìn)行限制。本設(shè)計(jì)穩(wěn)壓模塊采用NUD4001。

設(shè)計(jì)選擇90℃下的Vsense值，即0.6。采用3塊NUD4001輸出端并聯(lián)，達(dá)到140mA輸出電流的目的。則每塊芯片輸出電流為47mA，因此Rext=0.6/0.047=13Ω，故取Rext=13Ω。

1.4 LED導(dǎo)光條光學(xué)設(shè)計(jì)

將LED導(dǎo)光條模型導(dǎo)入TracePro，并與LA G6SP確定好相對位置，一般LED光源出光面與導(dǎo)光條的間距在0.5-1mm左右。

2 仿真與實(shí)測

2.1 LED驅(qū)動電路的仿真

LED驅(qū)動電路部分如圖1所示，在汽車電源輸入NUD4001之前加了整流濾波電路消除干擾，有利于輸出電流的穩(wěn)定。

使用Cadence OrCAD Capture自帶的SPice A/D仿真模塊進(jìn)行仿真。在90℃的溫度下，3個(gè)NUD4001驅(qū)動芯片并聯(lián)輸入輸出電壓曲線如圖2所示：

由圖可以看出，隨著輸入電壓從0V到15V不斷上升，其輸出電壓也隨之變化，在輸入電壓達(dá)到8.5V時(shí)，其輸出電壓開始穩(wěn)定，并一直保持在7.8V。說明NUD4001具有較寬的穩(wěn)壓范圍。

在90℃的溫度下，3個(gè)NUD4001驅(qū)動芯片并聯(lián)輸出電流特性曲線如圖3所示。

可以看出，在輸入電壓達(dá)到7.3V左右時(shí)，其芯片的輸出電流開始穩(wěn)定，并一直保持在150mA左右，與LA G6SP的140mA最佳工作電流很接近。

2.2 LA G6SP仿真

分別在兩個(gè)LED的電壓輸入端，兩個(gè)LED之間以及輸出端觀察期電壓變化，其電壓波形如圖4所示。

由圖4看出，LED的電壓曲線和NUD4001的輸出電壓曲線走勢一致，在NUD4001的輸出電壓穩(wěn)定之后，LED的壓降也保持穩(wěn)定。

隨著芯片和LED自身發(fā)熱導(dǎo)致溫度升至90度時(shí)，LA G6SP的功耗的曲線如圖5。

在90℃下，當(dāng)芯片的輸入電壓達(dá)到8.5V時(shí)，LA G6SP的功耗達(dá)到最大穩(wěn)定值450mW左右。

2.3 整體功耗仿真與實(shí)測

本研究使用測試電源輸出功率的方法間接得到功耗。由于電源是釋放出功率的器件，故在下文的圖表中其功率值為負(fù)值。仿真曲線見圖6。

圖6可以看到，在電壓達(dá)到8V之后，隨著電壓繼續(xù)上升，LA G6SP的發(fā)光強(qiáng)度并沒有明顯的變化，在電壓從8V到15V之間，LED的亮度基本沒有變化。

圖7為電源輸出電壓-功率曲線。

由圖7可以看出，在電壓達(dá)到8V之前，仿真曲線和實(shí)測曲線基本一致。但是到了8V之后，實(shí)測曲線并沒有表現(xiàn)出仿真曲線近似的直線性。原因?yàn)榉抡媲€是在各元件都工作在典型狀態(tài)下，故和真實(shí)的工作條件有一定的差別，同時(shí)PSpice A/D器件的熱模擬的能力有限，內(nèi)部的元件自帶的溫度數(shù)據(jù)有限，并不能真實(shí)的反應(yīng)實(shí)際的工作狀態(tài)。

2.4 光學(xué)實(shí)測

由于國標(biāo)要求車燈的參數(shù)無法在仿真軟件里測得，必須進(jìn)行實(shí)測，來驗(yàn)證仿真的結(jié)果是否符合仿真結(jié)果。依據(jù)GB5920-2008，使用遠(yuǎn)方光電的G0-HD5標(biāo)準(zhǔn)化暗室對車燈的光通量進(jìn)行測量。設(shè)置好電壓13.5V，測試距離3.16米，點(diǎn)亮15分鐘后進(jìn)行第一次測試，第一次測試后繼續(xù)點(diǎn)亮30分鐘，進(jìn)行第二次測試，結(jié)果數(shù)據(jù)如表1。

從表中可以看出，該后位置燈配光性能滿足國標(biāo)的要求。

3 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)利用知識集成的思想，從導(dǎo)光條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、LED驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)和光學(xué)設(shè)計(jì)三個(gè)方面展開，使用了CATIA、Cadence OrCAD Capture和TracePro三個(gè)主流設(shè)計(jì)軟件，并進(jìn)行了光學(xué)實(shí)測。結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)可以達(dá)到國標(biāo)GB5920-2008的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]李孝祿，王文越，王旭，吳霞，張偉.基于知識集成能力的實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，33（03）：16-19.