浅谈汽车激光前照灯设计规范

刘盛德，刘攀，雷旭，黄占君，初翔杰

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

继LED大灯之后，激光大灯被称为“合理的下一步”，更加节能、环保。激光大灯和其它大灯区别主要是发光的光源，激光大灯的光源来自于激光二极管，激光二极管在电子、通讯等很多领域都有广泛应用，所以技术也已经成熟。激光大灯发光效率高、能耗低、体积小、寿命长、响应速度快。加上智能化车灯系统的应用，激光大灯相对于其它光源大灯，优势就更加突出。所以智能化的激光大灯，是未来车辆照明系统的主要发展方向。文章主要通过对欧司朗已经成熟开发应用的激光光源模块进行解析，总结出关于一套激光大灯的设计规范。

1 激光大灯发光原理及简介

1.1 激光光源发光原理

所谓激光光源即激光发射器，产生激光的必不可少条件是粒子数反转和增益大于损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励源及具有亚稳态能级的工作介质两个部分。激励源是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级，能够使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地缩短工作物质长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔。

图1 激光器的基本结构示意图

激光大灯中所用的激光发射器为半导体激光器，统称为激光二极管。激光二极管具有体积小、重量轻、结构简单、制作简单、成本低、易于大量生产、使用寿命长等突出特点，较适合应用于前照灯照明。

1.2 激光光源模块简介

目前，欧司朗已开发出应用于前大灯的激光光源模块，该模块可直接发出白光，原理如下：激光二极管发射出波长为450nm的蓝色激光光束，激光光束透过激光反射镜聚焦到黄色荧光粉，部分蓝光转化为黄光，部分蓝光直接通过，蓝光与黄光混合变为白光，如下图所示。

图2 激光光源模块发光原理

光源模块具体参数及结构如下：

表1 光源模块参数

2 设计规范

2.1 设计原则及基本要求

2.1.1 激光光源仅作为辅助远光进行开发

2.1.2 驱动模块EMC性能满足《GB 34660-2017 道路车辆

电磁兼容性要求和试验方法》中的要求，电路须有防EMC设计；

2.1.3 满足《GB/T 10485-2007 汽车和挂车外部照明和信号装置基本环境试验》的要求。

2.2 电路设计

2.2.1 电路形式选择

欧司朗激光模块驱动电流典型值为 1.1A，功率在 1.6W左右，激光光源与LED灯类似，属于电流性光源，需采用电气效率较高的的IC恒流控制电路。

由于采用一个激光模块即可满足远光辅助照明亮度要求，根据激光器的电压（1.5V左右），IC恒流控制电路采用降压式电路即可满足要求。

2.2.2 IC芯片选择、电路及计算

（1）IC芯片选择

文章中选择的芯片为 TLD5097，该芯片对于升压、降压电路均适用。

（2）IC芯片电路

TLD5097芯片内部电路结构如下：

图3 TLD5097内部电路结构

TLD5097芯片升降压电路运用典型例如下图所示：

图4 TLD5097降压电路运用

2.2.3 EMC防护设计

输入端的EMC防护设计包括：大电压防护、共模/差模噪声滤波、高频噪声滤波、低频噪声滤波。

图5 输入端EMC防护电路示意图

如上图所示，TVS1为防雷管，主要作用是保护后级防浪涌脉冲的损坏，C1为滤波作用，D1为整流二极管，防反接作用，C2、C3、L1、C4、C5组成一个LC-Л滤波电路，主要是改善EMC电路。

输出端的EMC防护设计包括：输出典型整流、滤波，通常由一个LC-Л滤波电路构成，如下图中L3、C11、C12、C13所示：

图6 输出端EMC防护电路示意图

2.3 散热设计

半导体激光二极管由于高功效，散热性能较LED二极管散热性能好，且欧司朗激光模块中的半导体激光二极管采用紧凑型的 T056封装，散热性能得到提高。另外，激光模块外表面采用铝制外壳，使得半导体激光二极管得到更高效的散热性能，欧司朗激光模块不需要增加额外的散热结构即可满足激光二极管的散热要求。

图7 欧司朗激光模块散热示意图

2.4 配光设计

激光大灯定向性强、发散度低，基于这一特性，激光一般应用于远光辅助功能，对于灯光基本要求为：照射角度小，亮度大，照射距离大。具体路面照明效果要求如下：

表2 激光大灯路面照明效果要求

3 结论

文章阐述了汽车激光前大灯的设计规范，主要针对光源选择、功能设计、光源参数设定、电路原理、散热分析、路照效果等方面进行了全面、完整的方案说明。文章阐述的方案可以有效应用于汽车激光前大灯的设计，为汽车激光前大灯的设计提供了一种设计思路。