（信号与信息处理专业论文）大功率led汽车前照灯驱动电路设计.pdf

摘要 随着照明产业的发展，以大功率l e d 为代表的固态照明以其高效、节能、 环保、寿命长、可靠性高等优点被越来越多的人所接受。它最有可能成为下一代 照明的主流技术。l e d 以其体积小、寿命长、能耗低、耐震动、启动时间快、 环保等优势已经成为新一代汽车光源技术的首选。大功率白光l e d 在汽车前照 灯上的应用将成为车用l e d 市场增长的重中之重。我国汽车工业正处于大发展 时期，是推广高亮度l e d 的极好时机，开发l e d 汽车前照灯对于推动我国汽车 工业的发展意义重大。同时，与大功率l e d 配套的驱动电路的研发也得到了长 足的发展。 文章首先介绍了课题相关背景和发展，电路的原理和结构，接着介绍了汽车 l e d 前照灯的驱动电路的设计，在最后阐述了l e d 驱动芯片的模块设计，如带 隙基准电压源，运算放大器，过热保护电路和电荷泵升压电路等，并用c a d e n c e 的仿真工具s p e c t r e 对其中模块进行了仿真，结果满足要求。 本文针对l e d 汽车前照灯设计出了相对应的驱动电路，电路符合设计要求， 电路具备将车载电源1 2 v 转换至最高8 0 v 的升压功能，可驱动多颗l e d ，还能 输出7 0 0 m a 到1 a 的恒定电流，整个电路结构简单，仅需少量外部元器件，同 时电路性能可靠，工作温度为- 4 0 0 c 至1 j + 1 2 5 0 c ，能够适应汽车恶劣工作环境，满 足了大功率l e d 照明的电压电流工作要求。同时本文对模拟集成电路的设计仿 真流程进行了系统总结，也对驱动芯片模块的设计，即驱动电路的集成化做了大 量工作，改进了驱动芯片各模块的电路结构，并对模块进行了验证和优化，提高 了驱动芯片的实用性能。 关键字：大功率l e d ，开关电源，汽车前照灯，c m o s 器件，带隙基准偏 置电压源，过热保护电路，电荷泵 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl i g h t i n gi n d u s t r y , s o l i d - s t a t el i g h t i n gr e p r e s e n t e db y p o w e rl e di su s e db ym o r ea n dm o r ep e o p l ef o ri t sa d v a n t a g e s ：h i g he f f i c i e n c y , l o w e n e r g yc o n s u m p t i o n , l o wp o l l u t i o n , l o n gl i f ea n dh i g hr e l i a b i l i t y i ti sc o n s i d e r e d 弱 t h em o s tp o s s i b l et e c h n o l o g yc h o i c eo ft h en e x tg e n e r a t i o nl i g h t i n g a n db e c a u s eo f i t ss m a l l e rv o l u m e ，l o n g e rl i f e ，l o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n t i s h a k e ，q u i c ks t a r t - u p ， e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n ds oo n , l e dh a sa l r e a d yb e e nt h eb e s tc h o i c eo ft h en e w g e n e r a t i o no fa u t o m o b i l ei l l u m i n a n t t h ea p p l i c a t i o no fh i g h p o w e rw h i t el e dt o a u t o m o b i l eh e a d l a m p sw i l lb et h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ro ft h ed e v e l o p m e n ti n a u t o m o b i l el e dm a r k e t s d o m e s t i ca u t o m o b i l ei n d u s t r yh a sb e e nd e v e l o p e dv e r y r a p i d l ya n dt h e r ei sag o o do p p o r t u n i t yt oa p p l yh i g h - l u m i n a n c el e d i ti sv e r y i m p o r t a n tt od e v e l o pl e da u t o m o b i l el e a d l a m pf o rp r o m o t i n gd o m e s t i ca u t o m o b i l e i n d u s t r y a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rl e d ，t h er e s e a r c ho fi t sd r i v i n gc i r c u i t h a sa l s ob e e ng r e a t l ya c c e l e r a t e d i nt h i sp a p e r , w ef i r s ti n t r o d u c et h eb a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n to ft h es u b j e c t ， t h e nd e s i g no ft h ed r i v i n gc i r c u i tf o ra u t o m o b i l eh e a d l a m pi sp r e s e n t e d ，a n df i n a l l y t h ed r i v i n gi cm o d u l e sa r ed i s c u s s e d ，s u c h 嬲b a n d - g a pb i a sv o l t a g er e f e r e n c e ， o p e r a t i o na m p l i f i e r , o v e r - t h e r m a lp r o t e c tc i r c u i t , c h a r g ep u m p t h em o d u l e sa r e s i m u l a t e da n dt h er e s u l t so ft h ec i r c u i t sv a l i d a t eo u rd e s i g ns p e c i f i c a t i o n i nt h i st h e s i s ，ad r i v i n gc i r c u i tb a s e do nm a x l6 8 31a n dab o o s ts t r u c t u r ew a s d e s i g n e dt op r o v i d eac o n s t a n tc u r r e n tf o rh i g hp o w e rl e dh e a d l a m p t h i sc i r c u i tc a n b o o s tt h e12 vv o l t a g ep r o v i d e db ya u t o m o t i v eb a t t e r yu pt o8 0 v ，i ta l s oc a ne x p o r ta c o n s t a n tc u r r e n tf r o m7 0 0 m at o1 a ，t h es i m p l ec i r c u i th a ds t a b l ep e r f o r m a n c ew i t ha f e wc o m p o n e n t si nt h et e m p e r a t u r eb o u n df r o m 一4 0 0 ct o + 12 5 0 c t h i sc i r c u i tc a n a d a p tt h eh a r da u t o m o t i v ew o r k i n ge n v i r o n m e n t ，m e e tt h ew o r kr e q u i r e m e n t so ft h e h i g hp o w e rl e dh e a d l a m p a tt h es a m et i m e t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h e d r i v i n gi cm o d u l e s k e yw o r d s ：p o w e rl e d ，s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , h e a d l a m p ，c m o s ，b a n d g a p b i a sv o l t a g er e f e r e n c e ，o v e r - t h e r m a lp r o t e c tc i r c u i t ，c h a r g i n gp u m p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：兹坤兽 签字日期：劲秘多月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权云 洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 兹钟老 签字日期：劭口1 7 r 年岁月7 日 导师签名： 半存旗 签字日期：加尹年多月歹日 学位论文的主要创新 一、针对l e d 汽车头灯大功率工作要求，基于m a x l 6 8 31 芯片，通 过搭建开关电源升压电路，设计出一种大功率l e d 恒流源驱动 电路，解决了l e d 车灯的驱动问题。 二、改进了驱动芯片各模块的电路结构，并通过s p e c t r e 工具对模块 进行了验证和优化，提高了驱动芯片的实用性能。 三、利用标准c m o s 工艺实现了过热保护电路，具备高稳定低功耗 的特点。 第一章绪论 第一章绪论 i i 课题研究的背景和意义 i i il e d 研究的必要性 近年来，随着能源形势的急剧恶化，全球能源安全问题越来越受到国际社会 的广泛关注。随着全球化的深入和能源相互依赖的加深，全球能源安全问题已成 为影响未来国家能源形势发展的重要趋势。我国是能源生产和消费大国，我国今 后的能源供求关系将对全球能源格局产生较大影响。必须宏观长远的研究和把握 我国的能源问题，以确保现代化建设有长期的能源供应。目前我国单位产值能耗 是世界平均水平的3 8 倍，是日本的1 1 倍，所以降低单位产值能耗是一个迫切 问题。我国著名能源学科专家、中国科学院院士徐建中从战略高度提出了解决我 国能源问题的长效机制。他认为，靠单一措施不可能长效解决我国能源问题。他 提出了“一个中心，两个基本点的观点，即以努力推进节能和科学用能为指导 思想和核心：抓紧石化燃料的洁净技术和煤炭的多联产技术以及石油、天然气的 勘探、开采与利用：大力开发可再生能源和新能源。在照明节能方面，徐建中特 别强调了l e d ( 被誉为“半导体照明工程”) 的重要作用。他断言，l e d 必将是未 来照明光源的发展趋势。 根据“十一五”规划，未来我国将开展十大节能工程，其中半导体照明，推广 高效节电照明系统将是一个重要内容。半导体技术已经改变了世界，半导体照明 技术将再一次改变我们的世界。作为一种全新的照明技术，l e d 是利用半导体 芯片作为发光材料、直接将电能转换为光能的发光器件。自2 0 世纪6 0 年代世界 第一个半导体发光二极管诞生以来，l e d 照明由于具有寿命长、节能、色彩丰 富、安全、环保的特性，被誉为人类照明的第三次革命。 节能是l e d 最大的特点，在我国具有非常重要的现实意义。中国照明用电 约占总电量的1 2 ，保守估计2 0 1 0 年我国总发电量将达到3 0 0 0 0 亿度，照明用 电将达到约3 6 0 0 亿度，如能节约一半的照明用电就是1 8 0 0 亿度，相当于两个三 峡电站的年发电量。照明节能产生了两方面益处：能源消耗的节约和二氧化碳气 体排放的减少。 l e d 照明技术正处于一个迅速发展的阶段，发光效率不断改善，根据海兹 定律，每1 8 到2 4 个月单个l e d 封装器件输出的光通量将翻一倍。现在白光l e d 的发光效率已达到白炽灯2 倍以上，到2 0 1 0 年将超过荧光灯，到2 0 2 0 年将达到 荧光灯的2 倍，届时l e d 将成为全球照明的主要光源。 我国l e d 产业起步于1 9 7 0 年代，进入2 1 世纪后高亮度l e d 产业得到迅速 天津工业大学硕士学位论文 发展。2 0 0 3 年科技部启动国家半导体照明工程，同时推动国家半导体照明产业 化基地的建设，共建成大连光产业园、上海张江高科技园、南昌联创光电科技园、 厦门开元科技园、北京亦庄经济技术开发区和深圳光明高新区六个产业基地瞳1 。 我国现有l e d 企业6 0 0 余家，企业主要集中在下游封装和应用领域，国内 从事l e d 上游外延片和中游芯片的企业大约在1 0 余家。2 0 0 5 年中国半导体照 明l e d 销量达1 1 7 亿个，同比增长4 9 ，其中在汽车和室内l e d 灯饰市场出 现了快速增长的势头，分别增长了5 3 和1 3 3 。交通指示灯和景观照明是我国 半导体照明最主要的两个应用领域，这使得红光l e d 成为我国销量最大的产品。 而l e d 在汽车应用中逐渐由内饰、第三刹车灯转向雾灯、车大灯的应用，使得 白光l e d 增长速度最快，达到1 1 2 。 我国l e d 产业的整体技术实力不强，仍处于起步阶段，企业规模普通偏小。 但l e d 产业已经引起了国家的高度重视，国家中长期科学和技术发展规划纲 要将半导体照明产品明确列为“重点领域及其优先主题”，提出“重点研究高效 节能、长寿命的半导体照明产品”。 国家发展改革委业已启动了十大重点节能工程，提出“十一五”期间将实现节 约2 4 亿吨标准煤的节能目标，其中绿色照明是重要一个方面。在整个照明领域， 我国是世界照明电器第一大生产国、第二大出口国，半导体照明产业有很强的产 业基础，因此未来我国l e d 将面临巨大的发展机遇。所以，无论从能源安全战 略还是从发展机遇上来说，对l e d 的研究是非常重要的口1 。 1 1 2 汽车产业与l e d 中国汽车工业协会日前发布的最新统计显示，在国民经济持续快速增长，轿 车进入家庭步伐加快的大背景下，2 0 0 7 年我国汽车产销分别超过和接近8 8 0 万 辆，再创历史新高。统计显示，2 0 0 7 年中国汽车产量为8 8 8 2 4 万辆，同比增长 2 2 0 2 ，比上年净增1 6 0 2 7 万辆；汽车销量8 7 9 1 5 万辆，同比增长2 1 8 4 ，比 上年净增1 5 7 6 万辆。汽车销量比2 0 0 3 年的4 3 9 辆翻了一番。随着我国经济的 发展和人民生活水平的提高，对汽车需求量在进一步增加。中国汽车工业将像 2 0 世纪9 0 年代以来中国电讯工业一样高速发展，成为中国工业的强大支柱。汽 车产业将成为带领中国经济迈入新阶段的最有影响的产业之一。 汽车产业的蓬勃兴起，带动了汽车零部件技术的快速发展，各种新技术层出 不穷。随着现代汽车的外形越来越流线、简洁和轻盈，要求汽车前照灯体积越来 越小：同时车速的进一步提高，也使汽车灯具朝着更高的照明效率、更广泛的照 明适应性、更节能、环保和安全的方向发展。随着汽车工业的发展，汽车灯具也 正发生着日新月异的变化，越来越先进的灯光照明技术在汽车灯具上得到了更多 第一章绪论 的运用。如今，l e d 被称为是第四代的汽车光源，与传统的光源相比，l e d 光 源具有寿命长，响应时间快，能耗低等卤素灯和氤气灯无法比拟的优点。采用 l e d 作为汽车前照灯的光源有不少独特的优势，除了几乎无启动时间( 即点即亮， 而氙气灯需要4 秒钟达8 0 的全光通输出) 和低电压带来的电气安全、寿命长外， 特别是它由若干个l e d 个灯具，使灯具的外形具有极大的可塑性，它可以融合 到更新的现代汽车设计理念中，为创造新的车型，满足用户个性化需求提供更好 的技术基础与物质保证。l e d 以其体积小、寿命长、能耗低、耐震动、启动时 间快等优势已经成为新一代汽车光源技术的首选。 从1 9 8 5 年l e d 被应用于汽车信号灯上以来，l e d 已经陆续被应用在汽车 内外车灯等领域。2 0 0 5 年全球汽车照明用l e d 市场规模达5 3 亿美元。到2 0 0 6 年，l e d 己经可以应用到前照灯外的汽车所有照明器件上，超过5 0 的新车款 将l e d 应用到汽车照明系统中，市场规模则超过了6 5 亿美元。随着采用l e d 的新车款逐年增多，许多专家一致认为今后数年中，仍可望维持二位数的成长率， 至2 0 1 0 年，全球汽车照明用l e d 的市场规模将达1 5 亿美元。2 0 0 5 年中国l e d 汽车应用市场规模为o 2 9 亿元，从整个l e d 应用市场来看，汽车应用市场仍然 处于萌芽状态，市场规模很小，预计到2 0 0 8 年前后我国l e d 车灯将会大规模发 展，其年产值将突破1 0 亿元大关，而至2 0 1 0 年预计一国内l e d 车灯市场将进 一步快速增长至3 0 亿元。 为拓展l e d 在汽车领域的应用市场以及在未来车灯市场上抢占先机，近年 来全球各大灯具公司都对大功率白光l e d 在汽车前照灯上的应用研究投入了大 量人力、物力、财力，并陆续推出以白光l e d 为前照灯光源的概念车，奥迪r 8 型跑车和凌志l s 6 0 0 h 将成为世界上首次将l e d 应用于前照灯的两款量产车，奥 迪跑车是奥迪首款可以提供全部前大灯功能组合选装的量产车型，其l e d 大灯 组合包括双列直插组装、主光灯、日间灯光和指示灯光。大功率白光l e d 在汽 车前照灯上的应用将成为车用l e d 市场增长的重中之重。我国汽车工业j 下处于 大发展时期，是推广超高亮度l e d 的极好时机。 综合l e d 种种优势和汽车工业的发展，所以对l e d 汽车前照灯相关领域的 研究不仅对我国的能源战略有较大影响，而且对于推动我国汽车工业的发展意义 重大h 】。 1 2 课题的国内外研究现状 在奥迪的动力旗舰a u d ir 8 配备了l e d 头灯后，2 0 0 7 年5 月2 4 日，丰田 公司隆重发布了雷克萨斯l s 6 0 0 h ，成为全世界第二款将搭载l e d 头灯的车型， 该车采用了众多新汽车科技，体现了汽车领域的最高技术水平。根据雷克萨斯原 天津工业大学硕士学位论文 厂表示，搭载l e d 头灯的l s 6 0 0 h 车型，不仅头灯仍具有2 0 度的转向辅助设计， 另外在车辆搭载l e d 头灯的情况下，除了因l e d 长寿命的特点，可以确保车主 1 5 年内免换头灯灯泡之外，其仅需0 1 秒的开灯反应速度，以及现在l e d 高亮 度、高照明度的特点之下，大幅提升了车主行车时的照明安全需求。随着新一代 车灯技术的不断应用，汽车车灯也逐渐进入了一个崭新时代啼1 。 l s 6 0 0 h 的l e d 前照灯由日本小糸制作所( k o i t o ) 研制和生产。光源采用小 系制作所与日亚化学工业合作开发的白色发光二极管。近光灯采用的是圆形透 镜，使用3 个白色l e d 灯，形成横向并置3 联式投射灯，彰显了l e d 前照灯的 先进性。它可以瞬间达到最大亮度，一进隧道即可达到足够的亮度，所以有利于 行车安全。与卤钨灯1 0 0 0 小时和h i d 灯2 5 0 0 小时的寿命相比，l e d 灯在车的 整个生命周期基本不会损坏。 此外，采用特殊的设计也使l e d 前照灯低成本化的技术开发在顺利推进。 要降低l e d 前照灯的制造成本最好的方法便是减少每辆车平均配备的灯的个 数。l s 6 0 0 h 使用了4 个4 0 0 1 m 光通量的白色l e d 灯，以及1 个2 0 0 1 m 光通量的 白色l e d 灯。如果增强每个白色l e d 灯的光通量，即可减少前照灯使用的灯个 数。采用的白色l e d 灯使用的白色l e d 将4 个l m m 见方的蓝色大型l e d 芯片 封装到一起，增加了光通量和亮度。另外，增加l e d 芯片个数和输入电流，平 均每个白色l e d 灯的亮度也会增加。 日本市光工业公司在2 0 0 8 国际电子产品博览会( a ti n t e m a t i o n a l2 0 0 8 ) 上，展 出了该公司最新研发的采用白色l e d 的新型配光可变式汽车前照灯( a f s ) 。市光 工业公司研发的新型前照灯，同样突破了传统l e d 灯的技术弊端，同时增加了 更新的技术和功能。新型前照灯单侧灯由两个固定的组件和一个旋转组件构成， 在固定组件和旋转组件均配备有一组白色l e d 灯，这些配备于各组件的白色 l e d 均采用4 个l e d 芯片。组件方面，固定组件为投影仪型式，而旋转组件则 可利用递进式马达进行旋转。其中，旋转组件采用相对不同的新型构造，对来自 白色l e d 灯的光线进行两次反射，最终照射向车辆的正前方。这种新型白色l e d 可变式前照灯的优势在于，可根据车辆直行、转弯、高速公路行驶、市区驾驶等 不同状态，以及天气变化等进行改变配光模式。例如，装配这种白色l e d 可变 式前照灯的车辆，在转弯行驶时可通过转变配光的角度进行弯道前方的照射控 制，而在高速公路上行驶时还可将旋转组件的光轴略向上调节，并增加l e d 灯 的输出功率，以提高车辆远处的可视性。另外，在车辆市区行驶时，可将左右旋 转组件各自转向侧方，对路侧进行照射，或在大雨时照射两侧的路肩，以提高对 护栏及路侧障碍物的可视性。该l e d 前照灯的总光通量h i d 氙气灯能达到同样 的水平，流明度达到1 2 万l m ，而l e d 灯发光效率则达到了1 0 0 1 m w ，功耗为 4 第一章绪论 3 5 w - - 4 0 w ，节电性和耐久性都要大大优于目前在汽车上广泛使用的h i d 氙气灯。 目前，市光工业已就此项l e d 前照灯技术与多家日本汽车企业进行合作，相信 很快将会出现在量产车型中。 在国内，以上海汽车电子工程中心、清华大学和复旦大学为首的几家科研院 所、高等院校对l e d 前照灯做了一些研究，但是这些研究还只停留在理论层面， 没有推出样灯。国内l e d 汽车前照灯技术的发展主要受三个方面的制约：首先， 国内l e d 技术特别是用于汽车前照灯的大功率l e d 技术与国外相比还存在很大 差距，其光通量远远满足不了汽车前照灯的需求。其次，l e d 前照灯的设计牵 涉到灯具的配光设计、散热设计、电控设计、结构设计等等，特别是散热设计较 传统的卤素灯有很大的改变。而汽车设计是一个连贯的整体，每一个环节的改变 都会影响到整车电气设计甚至结构设计的改变。由于国内汽车厂商主要以外资企 业为主，生产的车型也主要是国外汽车车型的国内改进版。这就直接导致了原始 整车设计构思、整车系统集成的核心技术都掌握在外资厂商手中。目前国内汽车 主要以低档车为主，车型也是国外比较成熟的车型，这些车型在最初的设计时并 没有考虑使用l e d ，而由于国内厂商缺少整体核心技术的支持，厂商很难直接 改变汽车车灯的设计，因此影响了国内汽车车灯市场的发展h 1 。 1 3 课题的主要研究内容及技术路线 目前市场上的大功率照明用l e d 驱动电路基本都是采用恒流驱动方式，从 而保证l e d 色度，亮度的一致性和可靠性。同时，正是由于由于l e d 的亮度会 随工作电流的变化而改变，为保证流过每只l e d 的电流相同( 使每只l e d 的亮度 均匀) ，就必须将l e d 串联使用，串联使用使得l e d 点阵所需电源电压较高，但 一般电源电压比较低，高电压电源要求使得l e d 的应用受到了限制。即便是车用 电源，尽管其电压保持在1 2 v 左右，同样不能满足驱动要求。因此合理的设计升 压电路来驱动l e d ，是l e d 能够得到广泛应用的关键。同时l e d 亮度控制及整 个电路的保护电路设计，也是汽车头灯驱动电路设计中必须解决的问题，但目前 还没有完善的汽车驱动电路解决方案。所以本论文主要对l e d 汽车头灯驱动电 路及其集成技术进行研究。 本文将对大功率白光l e d 在汽车前照灯上的应用电路进行研究，主要工作 包括针对l e d 汽车灯具的光通量设计出相对应的驱动电路，并满足车用要求， 同时也对l e d 驱动芯片的设计做了一部分工作。 第二章汽车前照灯和l e d 的发展 第二章汽车前照灯和l e d 的发展 2 1l e d 汽车前照灯理论知识 2 1 1 汽车前照灯发展和基本性能 汽车光源在照明领域中占有极其重要的地位，其产量占整个照明光源总产量 的1 0 左右。而前照灯是汽车在夜间行驶时照明前方道路的灯具，是保障汽车安 全运行的重要部件之一。前照灯的照明距离越远，配光性越好，汽车行驶的安全 性能就越高。因此前照灯的设计中必须做到以下两点： ( 1 ) 光源技术上要达到高光通量，高效率，长寿命。 ( 2 ) 灯具技术要达到配光性能好，不致使对方来车驾驶员感到眩目，且设计 严密，可靠性好。 随着汽车技术的发展，汽车前照灯在不断的发生变化。1 8 9 8 年，哥伦比亚 号电动汽车把电用于前灯和尾灯，这样第一个车灯就产生了。从早期乙炔气前照 灯发展到当今最先进的l e d 汽车头灯，经历了五代发展，下面详细阐述汽车前 照灯光源的发展历程及优缺点1 。 ( 一) 第一代乙炔气前照灯 1 9 0 6 年，世界上第一个用一个蓄电池供电的电灯开始照明。在1 9 0 9 年，首 次把乙炔灯作为变光装置，而前照灯具有高的轮廓亮度，乙炔气火焰的亮度比当 时的电光源所能达到的亮度高出一倍，因而，在1 9 2 5 年以前使用的汽车前照灯 几乎全是乙炔前照灯。这种灯稳定性和经济性较差。汽车电气系统成熟以后，汽 车前照灯普遍采用了电光源。 ( 二) 第二代白炽前照灯 1 9 1 3 年带螺旋灯丝的充气白炽灯泡问世，因其具有较高亮度，给电光源前 照灯开辟了广阔的前景，白炽灯利用炽热的钨丝产生光辐射，使电灯发出明亮的 光芒，白炽灯带动了一场照明革命，开拓了电光源事业的新纪元。白炽灯应用在 汽车前照灯上先后经历了可装卸白炽灯泡，白炽真空前照灯等过程，虽然很多车 前大灯仍在使用白炽灯，但是由于其发光效率低，寿命短等缺点，普通白炽灯还 是会逐渐被淘汰的。 ( - - ) 第三代卤素前照灯 在普通白炽灯泡当中，要提高灯的光效，必须提高灯丝的工作温度，这将导 致钨蒸发加剧，灯泡寿命缩短，玻壳迅速发黑，光输出大幅度下降。在长期的实 践过程中人们认识到钨的蒸发是不可避免的，最好能让蒸发出来的钨重新返回灯 丝。经过长期的研究，于1 9 5 9 年试制成功了卤钨灯。它是利用卤钨循环的原理 天津工业大学硕+ 学位论文 制成的，所以它要比传统的白炽前照灯寿命更长，亮度更大。现在的汽车大部分 采用的都是这种前照灯。卤素灯有其独特的配光结构，每支灯光内有两组灯丝， 一组是主光束灯丝，发出的灯光经灯罩反射镜反射后径直向前射去，这种光源就 是我们平时所说的“远光 。另一种是偏光束灯丝，发出的光给遮光板挡到灯罩 反射镜子的上半部分，其反射出去的光线都是朝下漫射向地面，不会给对面来车 的驾驶者造成眩目，这种光就是我们平常所说的“近光 。 ( 四) 第四代氙气前照灯 氙气灯，英文简称是h i d ( h i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g el a m p ) ，即高强度气体 放电灯。它所发出的光照亮度是普通卤素灯的两倍，而能耗仅为其三分之二，使 用寿命可达普通卤素灯的十倍。氙气灯极大地提高了驾驶的安全性与舒适性，还 有助于缓解人们夜间行驶的紧张与疲劳。驾车者可在第一时间内发现危险，从而 获得足够的反应时间，很大程度减少了夜间事故发生率。 氙灯是利用高压，超高压惰性气体的放电现象制成的高效率光源之一。由于 气体放电的种种特性，所以对车载h i d 电子镇流器的技术要求极为严格，原来 的模拟电子镇流器已不能精确实现h i d 灯启动过程中复杂的时序控制，不能区 分冷热灯工作状态，造成了灯泡发光效率差，寿命缩短等缺陷。所以现在的电 子镇流器采用单片机数字化控制方式，如图2 1 所示，对h i d 灯的启动过程实现 了精确控制，虽然国内现在数字电子镇流器已经投入使用，但产品技术性能上还 未完全成熟7 1 。 图2 1数字电子镇流器系统框图 ( 五) 第五代白光l e d 前照灯 l e d 早在2 0 世纪6 0 年代就已经产生，在早期主要是指示作用。9 0 年代后， 由于以氮化镓为基础的白光二极管的出现，l e d 的目标应用领域也得到了明显 改变，并且开始成为白炽灯的替代品，酝酿着一场照明光源的革命。l e d 具有 许多优点，而其中最重要的就是高度可靠性。一般来说，现在l e d 的寿命比任 何使用它们的系统都长。这个特性对汽车照明系统领域最具吸引力，在这个领域， 第二章汽车前腻灯和l e d 的发展 可靠性是既设计安全性又能避免昂贵维修费用的关键。对于汽车照明系统而言， l e d 具备寿命可延长1 0 倍，耗电量仅1 0 ，可在高频操作的高反应速度和环保 等优点，同时由于可采用平面封装技术，所以设计自由度高，对于整体汽车产业 来说，l e d 车灯不但将为汽车零部件供应链带来巨大变革，未来汽车造型设计 也将因此有更多的可靠性。即便是和h i d 灯相比较，l e d 也毫不逊色，白光l e d 发光效率超过气体放电灯已经指日可待，同时h i d 需要相当复杂的驱动电路( 电 子镇流器) 来激发照明，但l e d 照明只需恒流电路控制，驱动成本上大大降低。 当然白光l e d 前照灯离量产使用还有一定距离，仍有诸多技术及设计瓶颈 尚待克服，例如光学设计( o p t i c a l ) ，散热设计( t h e n n a l 】以及整体构造 ( a r c h i t e c t u r e ) 等方面，但这些问题目前已有相关的技术方案可以解决，目前全 球各大汽车展中，都能看到以白光l e d 作为汽车头灯的概念车款。如图2 - 2 所 示，不仅外观别致，也比较实用，这都使人感觉白光l e d 前照灯的实用化已经 非常接近。 削2 - 2 奥迪车型l e d 前照灯 前照灯按其结构特点可以分为：全封闭式和半封闭式；按照在汽车上的安装 方式又可以分为外装式、内装式和可藏式；按照其形状可以分为圆形、方形、长 方形以及异形前照灯；按照汽车装备前照灯的数量又可以分为两灯制前照灯系 统、四灯制前照灯系统以及带有辅助前照灯的前照灯系统等等。从汽车前照灯的 功能来看，它主要用于夜间、阴暗、雨雾天气的行驶照明，因而它的亮度和照射 方向对于行车安全是至关重要的。夜间汽车所有前照灯同时照明时，灯具应具有 使驾驶员看清| j i 方1 0 0 米距离以内交通障碍物的性能照明光束应对准汽车前进 的方向，主光轴方向偏下。前照灯的发光强度不足或照射方向不合适，汽车前方 的情况就不能清晰易见。而发光强度过强或照射方向过高会使迎面驶来的汽车 里的驾驶员造成眩目，妨碍驾驶员的正确判断，这些都是导致交通事故的重要原 因。 由此可见，发光强度和光束照射位置，是影响汽车夜间行车安全的关键因素， 这也是国家标准中规定的前照灯检测的两个重要项目。按照交通安全法的要求， 会车时车辆应当采用近光照明。实际上，近光的照射方位对安全的影响更大，而 天津工业大学硕士学位论文 远光主要负责在无照明的路面行驶时为远处的景物提供照明，因此，对于远光不 但有光束照射位置的要求还有发光强度的要求，而对于近光则只有光束照射位置 的要求。由上述汽车前照灯照明标准可知，我们必须在满足光学设计的前提下来 设计电路哺1 。 2 1 2l e d 发展及其在汽车上的应用 l e d 是l i g h te m i t t i n gd i o d e 的缩写，中文译为发光二极管，这是一种会发 光的半导体组件，且具有二极管的电子特性。l e d 属于半导体光电组件，除了 具有发光的特性之外，它完全具备半导体整流二极管的特性，如果取它的整流特 性，则它不但可以完全符合整流需求，而且在外加正偏压的情况下会发出某种波 长的光。l e d 虽然具有整流二极管的功能，但通常利用的是l e d 的发光特性而 非整流特性。这种发光特性发生在二极管电子曲线的正偏压部分。 和计算机技术一样，l e d 的发展遵守摩尔定律，每隔1 8 个月它的亮度就会 提高一倍。早期的l e d 只能应用于指示灯，计算机显示屏和数码手表，而现在 开始出现在超亮度领域。l e d 的产生基于两种需求：其一是l e d 的制造工艺流 程较简单，制造成本较低，经常作为镭射的代用光源，其二是绝大部分的光通信 是在红外光谱下进行的。既然发光器件可以产生光源，那么就可设计成可见光的 形式，应用于信号判别，数字显示甚至于影像处理或显示屏。由于这两种不同的 需求，l e d 渐渐地独立而自称一个体系，其最大的应用领域在于显示器及相关 工业，其波长包含了可见光的大部分范围，主要为红，黄，绿以及最近发展出来 的蓝色光谱旧1 。 在l e d 光源及市场开发中，极具发展与应用前景的是白光l e d ，其用作固 体照明期间的经济性显著，且有利于环保，正逐步取代传统的白炽灯。白光l e d 的世界年增长率在2 0 以上，美国，日本，欧洲国家及中国台湾均推出了半导体 照明计划。从理论和技术发展分析，白光l e d 的光效可以达到2 0 0 1 m w ，目前， 普通白光l e d 的发光效率约为7 0 8 0 1 m w , 还有很大的提升空间。功率型l e d 优 异的散热特性与光学特性更能适应普通照明领域。为替代荧光灯，白光l e d 必 须具有1 5 0 - - - 2 0 0 1 m w 的光效，且每流明的价格应明显低于0 0 1 5 美元。要实现 这一目标，仍有许多技术问题需要解决。按固体发光物理学原理，l e d 的发光 效率能接近1 0 0 。因此，l e d 被誉为2 1 世界新光源，有望成为继白炽灯，荧 光灯，高强度气体放电灯等之后的第五代光源。要实现白光l e d 具有 1 5 0 2 0 0 1 m w 的目标，必须从两个方面努力，一是不断改进工艺，二是开发新材 料，改进产品结构。 在2 0 世纪8 0 年代中期，l e d 开始被用于汽车中央高位刹车灯。进入9 0 年 第二章汽车前照灯和l e d 的发展 代后，汽车仪表l c d 面板背光照明普遍采用l e d 这种固态新光源。进入新世纪 后，随l e d 功率和亮度的提升，除了汽车前照灯外，l e d 全面进入了汽车照明 和信号系统中的应用。2 0 0 5 年，全球l e d 在手机中所占的市场份额达5 2 。自 从2 0 0 5 年以后，由于手机市场趋于饱和，不再呈增长的态势，取而代之的则是 汽车、交通信号灯、景观装饰照明和一般照明市场，而汽车光源在照明领域中占 有极其重要的地位，其产量占整个照明光源总产量的1 0 左右。基于l e d 的优 点，车用市场领域是最被看好的发展领域。 l e d 在汽车照明中的应用分为低照度照明和高照度照明两部分。 在汽车低照度照明系统中的应用主要是仪表板背光照明、操作开关、阅读灯、 示宽灯、牌照灯等，这是汽车制造商最早将l e d 应用于汽车，同时也是目前l e d 在汽车中应用最多的部分。汽车内部的显示，如仪表盘，过去主要采用白炽灯或 真空荧光w e ) 来提供背光，后来出现了用c c f l 作为背光源的显示板。随着l e d 技术的不断进步，l e d 已经取代传统光源组合到背光照明中。从仪表盘到整个 娱乐、导航、行程计算及信息中心控制显示等等，l e d 几乎无处不在。当多个 l e d 一同用于汽车仪表盘照明或娱乐系统控制时，颜色和亮度的一致性就显得 特别重要，被照区域的亮度需要均匀一致，不应有任何阴影。l e d 在汽车内部 的照明主要包括一般照明用顶灯、阅读灯、美容化妆灯、门锁灯等。其达到的目 的是提供放松和友好的和谐气氛，以减轻驾驶员的疲劳，改善和提高舒适程度， 帮助驾驶员能得到大量可读和清晰的信息。 l e d 在汽车高照度照明中的应用最主要的是汽车信号灯，汽车信号灯主要 指刹车灯、方向灯和尾灯，对其照度和颜色都有明确的规定。在上个世纪8 0 年 代中期，l e d 开始进入到汽车产业。我国第一个l e d 车灯是桑塔纳2 0 0 0 型轿 车的高位制动灯，它由上海汽车电子工程中心和上海小糸车灯有限公司联合开 发，并于2 0 0 0 年通过上海大众汽车公司认证而投产。迄今为止，l e d 在汽车上 的应用除了仪表l c d 面板背光照明外，最流行的当属中央高位刹车灯，目前已 有8 0 以上的欧系和日系汽车安装了l e d 中央高位刹车灯。在2 0 0 4 年北京车 展上，法国富奥公司展示了用4 个l e d 做成的高位刹车灯，还有用一个l e d 灯 来实现所有尾部信号灯功能，包括停车灯、后小灯、转弯指示灯、雾灯和倒车指 示灯等。到2 0 1 0 年，绝大部分汽车尾灯照明将采用l e d ，包括倒车灯和牌照灯 在内。2 0 0 0 型凯迪拉克和s 级奔驰车上，后灯( 尾灯、刹车灯和转向灯) 全部使用 了l e d 。新奥迪a 8 轿车侧面转向灯、行车灯、刹车灯和转向灯等，也全部使用 了l e d 。目前国际上新款式高档轿车，如凯迪拉克、宝马、丰田、奔驰和福特 等，都装配了五彩缤纷l e d 灯具。前照灯是汽车在夜间行驶时照明前方道路的 灯具，是保障汽车安全运行的重要部件之一。前照灯的照明距离越远，配光性越 天津工业大学硕士学位论文 好，汽车行驶的安全性能也就越高。汽车前照灯发出远光和近光两种光束，其中 远光在无对方来车的道路上，汽车以较高速度行驶。远光应保证在车前1 0 0 m 或 更远的路面上得到明亮而均匀的照明。在全部车l e d 灯具中，最难也是最后投 入使用的则是车头前照灯。目前l e d 前照灯都是用在一些车展上的概念车上。 2 1 3l e d 汽车前照灯标准的指定 由于照明l e d 技术发展很快，照明l e d 标准的制定应与技术的发展和市场 的需要相适应。标准化机构、检测机构、照明l e d 研究部门、生产企业和应用 单位等应相互配合，共同努力，建立一套符合我国国情、技术先进的照明l e d 的国家标准。对于l e d 前照灯标准制定也是这样。 全国汽车标准化技术委员会l e d 前照灯标准研究工作组成立暨第一次会议 于2 0 0 7 年5 月2 4 日在天津召开，共有1 6 位代表出席了此次会议。2 0 0 7 年5 月2 3 日 l e d 前照灯标准起草工作组在中国汽车技术研究中心正式成立，与会成员单位就 本标准的大致原则确定了方向，并确立了一个大致的工作框架。与此同时，全国 汽车标准化技术委员会向国家标准委上报了标准制定计划；2 0 0 8 年3 月1 2 日，在 中国汽车技术研究中心召开了第二次工作会议，会上明确了l e d 前照灯标准各条 块的分工与协作，起草标准、试验验证等在标准起草工作组内各单位展开，并于 7 f l 底召开了第三次工作会议，讨论、修订了该标准的草案稿。至此，l e d 前照 灯标准已经形成征求意见稿。本标准是l e d 汽车前照灯产品的方向性、指导性、 规范性文件，将促进l e d 汽车前照灯相关产品的研究与发展，填补我国l e d 汽 车前照灯标准空白，为行业发展做出贡献，并使我国在世界车灯前沿领域占有一 席之地。 2 2l e d 汽车前照灯关键技术难点 发光二极管在汽车前照灯中的应用是集光学设计，机械设计，电子系统和散 热等多方面知识融合的结果。由于l e d 与其他光源的显著区别，所以在前照灯 中的应用上仍存在一些技术上的限制。 2 2 1 散热设计 在传统的头灯设计上，灯泡本身的光子释放来自加热钨灯丝，不会因自身发 出的热或来自引擎室的高温而影响亮度输出，散热重点落在整个头灯腔体的均温 设计而非灯泡的散热，但在头灯材料的选择上则需考虑是否可承受来自灯泡的高 温( 头灯腔体约承受1 0 0 的温度，雾灯腔内温度可高至3 0 0 ) ，所以在此选用 的材料一般都以耐热材为主；然而对于l e d 而言，其光子释放来自于p n 接口 第二章汽车前照灯和l e d 的发展 的能阶跳动，与温度呈现负相关，温度越高则光源输出越弱，因此散热成为l e d 作为光源设计的重要课题。同时，散热设计也是l e d 光源区别于传统光源的课 题之一。传统灯具产生的热远高于l e d ，但传统灯具不会因为高温而降低其光 源输出能力，但l e d 的光输出却会随着本身接1 3 ( j u n c t i o n , p n 接口) 温度的升高 而下降，而其产生的热如何散发到外界环境与其封装结构材料息息相关，牵涉到 使用的散热材料与相关外型，关系，其中热阻的概念，代表输入w 功率时，需 要提高多少k 温度才足以散热。以现有的封装技术最高可允许l e d 操作