LED导光条用于汽车尾灯的设计

牛明旭 李孝禄 施慧 张远辉 李运堂

摘 要：设计了一款基于LED导光条的汽车尾灯。结合光学配光要求，利用CATIA进行导光条的结构设计，利用Cadence进行LED驱动电路设计并进行电路模拟，利用TracePro对导光条光源进行光学分析，最后对设计的导光条进行了光学实测。结果证明该设计达到了GB5920-2008对车灯的要求。

关键词：汽车尾灯；LED导光条；CATIA；Cadence；TracePro

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

0 引言

近年来，汽车工业飞速发展，作为汽车必不可少的功能组件，同时又具有视觉美学作用的汽车车灯，扮演着较重要的角色。现有的LED汽车灯具大多光通利用率低、分布面积大、视觉效果不均匀，而光导技术可摆脱以上因素的制约。本文利用知识集成的思想[1]，使用多款软件集成设计了一款LED导光条的汽车尾灯。

1 尾灯设计

1.1 外观造型设计

本设计采用略带弧度的圆柱直线作为LED导光条的基体，在LED导光条的出光面再加上一层PMMA材质的磨砂面，增强其在各个视角上的可视度及视觉舒适性。导光条背面为密集的锯齿，为了让光线在导光条里传播的时候，能有序而均匀的被反射，而不是全部发生全反射。

1.2 光源位置布置

本次设计的导光条因曲率较小，不存在光源布置位置影响出光均匀的问题。但考虑到美观和隐藏光源的因素，将LED光源布置在导光条的右侧，这样能很好地将光源隐藏，达到美观的视觉效果。

1.3 LED驱动电路的设计

汽车蓄电池或者发电机输出电压范围为10.5-14.5V，电压波动较大，电流不稳定。LED光源LA G6SP在正常工作时的正向电压为2V左右，電流为140mA，且LED的亮度对电流的波动较为敏感，因此必须对电压和电路进行限制。本设计稳压模块采用NUD4001。

设计选择90℃下的Vsense值，即0.6。采用3块NUD4001输出端并联，达到140mA输出电流的目的。则每块芯片输出电流为47mA，因此Rext=0.6/0.047=13Ω，故取Rext=13Ω。

1.4 LED导光条光学设计

将LED导光条模型导入TracePro，并与LA G6SP确定好相对位置，一般LED光源出光面与导光条的间距在0.5-1mm左右。

2 仿真与实测

2.1 LED驱动电路的仿真

LED驱动电路部分如图1所示，在汽车电源输入NUD4001之前加了整流滤波电路消除干扰，有利于输出电流的稳定。

使用Cadence OrCAD Capture自带的SPice A/D仿真模块进行仿真。在90℃的温度下，3个NUD4001驱动芯片并联输入输出电压曲线如图2所示：

由图可以看出，随着输入电压从0V到15V不断上升，其输出电压也随之变化，在输入电压达到8.5V时，其输出电压开始稳定，并一直保持在7.8V。说明NUD4001具有较宽的稳压范围。

在90℃的温度下，3个NUD4001驱动芯片并联输出电流特性曲线如图3所示。

可以看出，在输入电压达到7.3V左右时，其芯片的输出电流开始稳定，并一直保持在150mA左右，与LA G6SP的140mA最佳工作电流很接近。

2.2 LA G6SP仿真

分别在两个LED的电压输入端，两个LED之间以及输出端观察期电压变化，其电压波形如图4所示。

由图4看出，LED的电压曲线和NUD4001的输出电压曲线走势一致，在NUD4001的输出电压稳定之后，LED的压降也保持稳定。

随着芯片和LED自身发热导致温度升至90度时，LA G6SP的功耗的曲线如图5。

在90℃下，当芯片的输入电压达到8.5V时，LA G6SP的功耗达到最大稳定值450mW左右。

2.3 整体功耗仿真与实测

本研究使用测试电源输出功率的方法间接得到功耗。由于电源是释放出功率的器件，故在下文的图表中其功率值为负值。仿真曲线见图6。

图6可以看到，在电压达到8V之后，随着电压继续上升，LA G6SP的发光强度并没有明显的变化，在电压从8V到15V之间，LED的亮度基本没有变化。

图7为电源输出电压-功率曲线。

由图7可以看出，在电压达到8V之前，仿真曲线和实测曲线基本一致。但是到了8V之后，实测曲线并没有表现出仿真曲线近似的直线性。原因为仿真曲线是在各元件都工作在典型状态下，故和真实的工作条件有一定的差别，同时PSpice A/D器件的热模拟的能力有限，内部的元件自带的温度数据有限，并不能真实的反应实际的工作状态。

2.4 光学实测

由于国标要求车灯的参数无法在仿真软件里测得，必须进行实测，来验证仿真的结果是否符合仿真结果。依据GB5920-2008，使用远方光电的G0-HD5标准化暗室对车灯的光通量进行测量。设置好电压13.5V，测试距离3.16米，点亮15分钟后进行第一次测试，第一次测试后继续点亮30分钟，进行第二次测试，结果数据如表1。

从表中可以看出，该后位置灯配光性能满足国标的要求。

3 结束语

本设计利用知识集成的思想，从导光条结构设计、LED驱动电路的设计和光学设计三个方面展开，使用了CATIA、Cadence OrCAD Capture和TracePro三个主流设计软件，并进行了光学实测。结果表明，本设计可以达到国标GB5920-2008的要求。

参考文献：

[1]李孝禄，王文越，王旭，吴霞，张伟.基于知识集成能力的实验平台的开发[J].实验技术与管理，2016，33（03）：16-19.