雙投影燈低成本LED汽車近光燈參考設計分析

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-03-22

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 LED作為汽車燈具上的第四代照明光源，具有長壽命、低功耗、高可靠性等一系列優點。隨著大功率白光LED的價格下降和發光效率的上升，用LED作為光源的汽車近光燈也在逐步興起。

本文擬以歐司朗光電半導體最近完成的一款低成本LED汽車雙投影近光燈的參考設計分析，希望對行業同仁有所幫助。

此設計將采用歐司朗光電半導體的大功率LED－OSLON? Black Flat Two Chips。(圖1)


該LED單顆額定功率6.5W，LED照明工程，芯片采用歐司朗光電半導體最新的UX:3技術，典型光通量約560lm@1A,最大驅動電流為1.2A(DC模式)，封裝了2顆芯片，發光區域面積為2.1mm2(2.1mm×1.0mm)，綠色照明，發光表面均勻性較上一代技術產品有大幅提升,同時發光區域邊界的明暗對比度十分鮮明，這對于設計有截止線要求的功能燈十分有用。另外，OSLON® Black Flat Two Chips的最高穩定工作結溫達到150攝氏度，且在較高溫度工作時仍能保持高穩定性和較長壽命，同時該LED在結溫高達175攝氏度時仍能工作100小時左右。因此十分適合在前向燈(forward lighting)中使用。在該設計中我們采用1.1A穩流驅動，結溫假定120℃，此時該LED穩定后的最低光輸出為508lm。

在整個近光燈的設計過程中，首先光型需要滿足法規要求。對于該參考設計，我們設計的目標是滿足是ECE R112 Class B，同時由于采用了LED光源，法規規定LED模組穩定之后的光通量至少要超過1000lm， led質量，節能與環保，因此最終采用2顆LED來完成該設計。

首先來了解一下ECE R112 Class B 中對于近光要求的描述：

由于全球大多數國家是采用右駕的標準，因此這里我們僅僅描述該標準的測試要求，如圖2所示。整個近光光型我們可以將它分成兩個部分：截止線區域有最低照明要求的部分以及截止線上方有最高眩光值限制的部分。關于這兩部分具體照明值的要求我們可以參考圖3，其中75R是整個照明區域中要求最高的點，需要超過10100cd，同時在截止線上方的ZoneⅢ區域，照明資質，眩光值不能超過625cd。

 

整個設計的造型如圖4所示，包含了2個投射單元，其中藍色的投射單元用來實現水平截止線以及拉寬的功能，黃色投影單元用來實現15度線截止線以及亮區的功能。

接下去我們來具體了解這兩種不同投影單元的設計參數以及模擬結果，建筑照明，首先來看藍色的投影單元：

如圖5所示，商業照明燈具，該投影單元的透鏡尺寸為40mm長，25mm寬，中心厚度為12.6mm，材料為PC，折射率為1.586，LED距離透鏡底面的距離為15mm。

在設計中我們假定光線經過透鏡的光學損失為15%，經過大燈燈罩的光學損失也為15%，在這種情況下，該投影模組點亮后在25m屏幕上的光型如圖6所示。由于我們設計時的光通量輸入為508lm，而投射到屏幕上的光通量為189lm，因此整個系統的效率為37.2%。
 

然后我們來看黃色的投影單元：

如圖7所示，該投影單元由四個部分組成：LED、橢球面反射鏡、遮光板以及透鏡。為了提高該投影單元的設計效率，我們將橢球面的光軸和系統的光軸設置為 不共軸，兩者之間的夾角為12度，如圖7所示。對于透鏡單元，它的尺寸同樣為40mm長，25mm寬，商業照明燈具，中心厚度僅為9.9mm，道路照明，整個投影單元總長為 95mm，材料為PC，折射率為1.586。

在設計中我們假定光線經過透鏡的光學損失為15%，經過大燈燈罩的光學損失也為15%，在這種情況下，該投影模組點亮后在25m屏幕上的光型如圖8所示。由于我們設計時的光通量輸入為508lm，而投射到屏幕上的光通量為194lm，因此整個系統的效率為38.1%。


在設計完兩種不同類型的投影系統后，我們最終將2個投影單元一起點亮，商業照明燈具，此時光型在25m屏幕上的效果如圖9所示，同時對比ECE法規的結果如圖10所 示。從圖10的結果我們可以看出，該設計在各個測試點上都有足夠的余量，但是在某些點卻不能滿足法規要求，如P1+P2+P3，但是根據我們的經驗這些測 試點在最終的成品上是能滿足要求的，由于加工的原因，光線經過透鏡以及燈罩或多或少會產生一些雜光，而這些雜光的產生剛好是不合格測試點所需要的。


光源位置的公差分析對于燈具的生產以及組裝都有著重要的意義，因此本文針對該系統也做了這方面的模擬分析。

結果顯示，對于其中任一模組的LED，當我們將其在所有方向上平移±0.2mm，恒光，所得到的兩者光型的疊加均能滿足ECE的測試法規，當然每個模組的光型需要在垂直方向重新調整角度，這個在機械方面是容易實現的。

依據下表鹵素燈光源和LED光源兩者的比較，LED-T5一體化燈管，可以清楚表現出LED在節能環保方面的優勢。同時，LED照明企業，采用LED設計的燈具，企業資訊，由于光學系統設計效率高于普通的鹵素燈泡，因此采用LED頭燈做光源，能使夜間駕駛更加安全。

隨著節能環保的觀念進一步深入人心以及車主對于車燈造型的更高要求，LED照明燈具將愈發普及。在可以想見的不久未來，恒光電器，傳統光源必將被LED逐步取代。LED作為主流光源的時代已經不再遙遠。