LED汽车灯具分析及试验方法研究

刘 然，陈 萍，张华树，陈积先，武华堂

（国家汽车质量监督检验中心（襄阳），湖北 襄阳 441004）

LED汽车灯具分析及试验方法研究

刘 然，陈 萍，张华树，陈积先，武华堂

（国家汽车质量监督检验中心（襄阳），湖北 襄阳 441004）

重点介绍LED光源的优越性和常用的2种LED调光方式，包括模拟调光和PWM调光。结合试验室现有的配光测试设备，对LED汽车灯具配光测试进行分析研究。

汽车灯具；LED；模拟调光；PWM调光；配光测试

随着社会的不断进步和生活水平的迅速提高， 人们不仅对当代汽车的外观、经济性、操纵性和舒适性有不断追求，而且对汽车的安全性问题也越来越多地关注。汽车灯具作为汽车主动安全的重要构成部分，也成为了各大主机厂及灯具厂的重点创新对象。灯具的改良与变更程度成为一个车型改款的评价指标之一。

随着新光源不断被应用于汽车车灯中，以及光学设计水平的不断提高，汽车灯具的发展日新月异。汽车灯具的光源经历了从最初的白炽灯过渡到卤素灯，再过渡到HID灯（即气体放电灯），再到目前比较主流的LED光源的过程［1］。从上个世纪90年代开始，汽车的室内灯、开关控制面板的背光开始使用LED，各类信号灯也基本都开始使用LED。LED光源的前照灯首次亮相是出现在丰田研发的2008年款雷克萨斯LS600CH上，随后越来越多的车型开始配备LED前照灯。随着LED技术的不断发展和成熟，LED的价格越来越低廉，以及LED光源的众多优点，越来越多车型上的越来越多功能采用LED光源。图1所示为一款全LED的前组合灯，包含的功能有前照灯（AFS）、前位灯、前转向信号灯和昼间行驶灯。本文重点讨论LED汽车信号灯。

1 LED光源的优点

LED作为汽车照明的最新一代光源，相较于传统的灯泡光源主要有寿命长、响应快、节能环保、体积小等优点［2-3］。

图1 全LED前组合灯

1.1 使用寿命长

LED的正常工作寿命可达10万h，其发光原理是利用固体半导体芯片实现电能与光能的转换，通常LED颗粒外面会使用环氧树脂等封装材料对芯片进行封装。由于封装材料具有柔性和热性，这就会使得LED具有一定的抗震性能，因此，LED可以承受高强度的机械冲击。若汽车灯具采用普通灯丝灯泡作为光源，由于灯丝强度有限，在车辆的剧烈振动中灯丝易于断裂。若采用LED作为光源，就能很好的避免这一问题，因为LED依靠PN结结构实现发光，不涉及灯丝。通常若汽车灯具采用LED作为光源，能够做到终身不需要更换。

1.2 响应时间快

LED光源的发光响应时间极短，大约只有60 ns左右，远小于白炽灯的响应时间，比气体放电灯的响应时间也短。因此，将汽车制动灯的光源设计为LED光源具有很大的优势。利用这一优点，将汽车制动灯功能选择LED作为光源，相较于普通的灯泡而言，当前车紧急制动时，后面车辆的驾驶员会提前看到信号，从而可以提前进行制动，有效地减少发生2车相撞的交通隐患。

1.3 节能环保

首先，LED光源相较于其他的光源而言，发光效率高。白炽灯的发光效率最高为17 lm/W，荧光灯的发光效率最高为90 lm/W， LED的发光效率可达到100 lm/W以上，这样产生同样的光通量LED光源只需要消耗更少的电量，从而更好地做到了低碳环保。其次，发光二极管的生产工艺中不包含荧光灯生产工艺中使用的汞，所以可以认为LED是一种环保、无害的光源。

1.4 体积小

LED芯片的尺寸通常是0.3×0.3 mm2～1.0×1.0 mm2，并且LED发光具有很好的方向性，能够在小的空间范围内实现汽车灯具的配光要求。同时还增大了汽车灯具造型设计的自由度，使得车灯的设计能够更加精巧。

1.5 可调控性强

通过施加不同的电压或者电流，LED颗粒可以产生不同的亮度。在汽车灯具的应用上，例如较为常见的汽车前位灯与昼间行驶灯混合或者后位灯与制动灯混合时，就易于控制各功能的发光强度。

2 LED调光电路介绍

由于LED的优越性，越来越多的汽车灯具光源均选用LED。目前有些比较主流的汽车灯具设计趋势，例如，若前组合灯中昼间行驶灯和前位灯功能均为LED光源，后组合灯中后位灯与制动灯均为LED光源时，则通常2个功能的组合情况为混合，高位制动灯通常也是LED光源。图2所示为前位灯和昼间行驶灯光源均为LED的某前组合灯，2个功能混合。灯具左边缘和下边缘组成的‘L’型部分，即为2功能共用的发光面。按照现行国标要求，汽车灯具的部分功能根据不同需求是可以有2个不同的发光等级的［4-5］，例如汽车后转向信号灯和汽车制动灯（S2类）。若灯具采用LED颗粒作为光源，则实现不同的功能或者同一功能的不同发光等级时，可以采用相同的LED颗粒光源，仅仅只需要通过调节LED颗粒的发光强度。LED调光通常有2种调光方式，分为模拟调光和PWM（脉冲宽度调制）调光。

2.1 模拟调光

模拟调光的原理比较简单，即通过电位器调节电路中的电阻的大小来调节流过LED颗粒的电流大小，从而调节LED的亮度。模拟调光实现比较简单，但是受硬件的限制，调光范围大约只有10：1。在10：1的亮度调节时，就损失超过25 %的准确度，而且也使LED产生色彩失真，就会影响光色的判定。同时，由于LED的正向电流和光输出并不是严格地呈现正比关系，所以模拟调光并不精确。虽然模拟调光有一些缺点，但是10：1的调光范围已经足以应用在汽车灯具上，而且其模拟调光电路实现较为简单，成本较低，因此可广泛应用于大量汽车灯具之中。

2.2 PWM调光

PWM（脉冲宽度调制）调光［6］的原理是通过改变流过LED串中恒定电流的占空比，改变LED串中的平均电流，从而实现调光。在一个脉冲周期内，LED颗粒一部分时间被点亮，一部分时间熄灭，当脉冲频率大于100 Hz时，由于人眼存在的视觉暂留效应，就会感觉LED颗粒一直处于持续点亮的状态。由于可以高精度地控制脉冲波形的占空比，因此PWM调光可以有很高的调光精度，通过调节占空比就可以实现调光，调光范围大。图3中显示了3种不同的PWM信号，图中a是占空比为10 %的PWM输出，即在一个信号周期内，10 %的时间通，剩余的90 %的时间断；图中b显示的是占空比为50 %的PWM输出；图中c显示的是占空比为90 %的输出。因通过LED的电流大小始终保持不变，所以PWM调光并不会改变LED的光色。

图2 前位灯与昼间行驶灯混合的某前组合灯

图3 3种不同PWM信号

通常，国内外一些大中型的灯具厂家一般会选择PWM调光方式来实现汽车灯具不同功能，或者同一功能不同发光级别的调光。例如，某厂家A的一款后组合灯中后位灯、制动灯、后转向信号灯的光源均为LED光源。其中，后位灯与制动灯混合，当持续提供高电平，即占空比为100 %时，实现制动灯功能；当在一个信号周期内，40 %的时间导通，其余60 %的时间断开，即占空比为40 %时，实现后位灯的功能。同样，对于有2个发光级别的后转向信号灯而言，当其白天工作时，占空比100 %，即一直处于导通状态；当后转向信号灯在夜晚工作时，在为他人提供信号的同时，也要避免造成他人眩目，因此其发光强度需要比白天工作时要小，因此通过PWM调节来实现，占空比为40 %。该后组合灯中，实现后位灯和夜晚发光的后转向信号功能的脉冲调制频率均为100 Hz，恰好能使观察者感觉其一直处于持续点亮的状态。

3 LED功能配光测试国标要求

按照现行国标，针对LED功能的汽车灯具的公告和3C认证，除了前雾灯和倒车灯外，配光性能的测试结果需要满足：点亮经过1 min和30 min的测量结果都应该符合相应的发光强度最小值和最大值的要求。点亮1 min后的发光强度分布，通过使用点亮1 min后和30 min后的HV点的测得的发光强度的比值，从点亮30 min后发光强度分布中计算得到。对于LED前照灯，在其点亮1 min后和光度稳定后，其测试点和区域的照度值都应该满足最大值和最小值的要求。同时按照标准要求，前照灯近光用LED光源或LED模块目标光通量应不小于1 000 lm［7］。现行国标目前并未对LED光源的信号灯的光通量有明确规定。

4 配光测试实现方法

4.1 配光测试设备

试验室配光测试设备采用的是德国L M T （Lichtmesstechnik GmbH Berlin）公司生产的光度测试系统，型号为GO-H1400，配备有常规的发光强度测试传感器和PWM传感器。PWM光度计的采样速度大约为12次/s，模拟积分时间恒定为20 ms，能够测量的最佳脉宽调制光源的频率范围在80～200 Hz。若采用普通的光强传感器探头测试PWM调光的汽车灯具的LED功能，则显示器上的读数结果会一直跳动，波动幅度非常大，测试结果极度不准确。因此，若某LED功能采用PWM调光，就需要采用专门的PWM传感器进行测试。

4.2 LED灯具配光测试分析

通常，对于普通LED汽车信号灯可以直接外接13.5 V或者28 V试验电压进行配光测试，采用普通的发光强度的测试传感器探头可以直接测量，只需要电源提供直流电压即可。一般来说，普通LED汽车灯具的点亮只需要2个接线端子，一个接入电源正极，一个接入电源负极。若是采用模拟调光实现不同灯具功能或者同一功能的不同发光级别，由于共用LED颗粒，因此通常灯具厂的电路设计为共用同一负极，不同的正极对应不同的功能，且灯具内部电路已经设计集成好。若LED采用PWM调光，对于上章中提及的制动灯而言，由于其额定电压为12 V，因此在试验时只需要提供13.5 V的试验电压直流信号即可，测试过程中也只需要选择普通的传感器。

目前试验过程中需要利用PWM探头进行测试的通常有2种情况：一种是直接按照厂家要求的占空比、频率和电压值提供方波电压信号，直接将方波电源接入测试功能的正负极端子即可；另一种情况是灯具内部电路已经集成好，只需要提供脉冲信号，相当于是提供一个激励信号即可。

4.3 PWM调光LED灯具配光测试实现

本文第2部分内容中提及的厂家A的后组合灯中的后位灯功能的实现属于前一种情况。当进行配光测试时，就需要按照厂家要求提供占空比为40 %、频率为100 Hz、幅值为13.5 V的方波电压。目前，现有设备无法提供脉冲电压，且厂家未能提供电源控制器。结合试验室现有设备，可以利用信号发生器和功率放大器实现。试验室现有的信号发生器由台湾固纬生产见图4，型号为GFG-8016G，能提供信号的频率范围为0.2 Hz～2 MHz。

图4 信号发生器

虽然信号发生器能直接提供方波电压信号，但是其并不能输出大电流，最大输出电流一般为20 mA。若电流过大，输出电压会拉低，甚至可能烧坏信号发生器。因此信号发生器并不能直接作为电源使用，所以还需要将信号发生器输出的信号接入功率放大器。只需要提供脉冲激励信号时，将信号发生器的输出信号直接接入电路即可。功率放大器为试验室已有的旧设备，如图5所示。

图5 功率放大器

首先对信号发生器进行调节：DUTY旋钮调整占空比；OFFSET旋钮调节信号输出的直流分量，即将整个输出信号上移或下移；AMPL旋钮调节输出函数信号幅度大小，即调节高电平。OUT50Ω接输出，该端子输出的电压幅值可调。调节过程中先调占空比再调频率，再调电压。若先调频率，再调占空比，频率会发生变化。可以利用万用表测试输出信号发生器输出信号的占空比。然后将信号发生器的输出信号接入功率放大器的输出端，通过调节功放得到指定的电压信号。需要注意的是，该功放的输出信号会反向，因此若需得到占空比40 %的方波电压，功放的输入需为占空比为60 %的方波电压。在调节信号发生器和功率放大器的过程中，需将功放的输出信号接入示波器进行实时监测，不断调节得到所需的方波电源信号，从而进行配光测试。

5 结束语

本文首先介绍目前汽车灯具的发展趋势，说明LED光源的汽车灯具越来越常见，重点阐述了LED光源的优点。然后，详细介绍LED常见的模拟调光和PMW调光2种方式的调光原理。同时，简要描述了现行国标对汽车灯具中的LED功能配光测试的标准要求。最后，结合试验室现有的设备，具体分析了不同调光方式的LED汽车灯具的配光测试实现方法，重点描述如何利用试验室常见的设备实现灯具的方波电压供电。

［1］凌铭，张建文，黄中荣.汽车灯具的发展趋势［J］.照明工程学报，2013，24（4）：106-112.

［2］谢望.基于LED的汽车后雾灯模块组设计［D］.上海：上海交通大学，2012.

［3］高铁成.高效率LED汽车前照灯关键技术研究［D］.天津：天津大学，2013.

［4］GB 5920-2008，汽车及挂车前位灯、后位灯、示廓灯和制动灯配光性能［S］.

［5］GB 17509-2008，汽车及挂车转向信号灯配光性能［S］.

［6］颜杰.LED照明系统的研究［D］.合肥：合肥工业大学.2012.

［7］GB 25991-2010，汽车用LED前照灯［S］.

（编辑 凌 波）

LED Auto Lamps Analysis and Testing Methods Study

LIU Ran， CHEN Ping， ZHANG Hua-shu， CHEN Ji-xian， WU Hua-tang
（National Automobile Quality Supervision and Test Center（Xiangyang）， Xiangyang 441004， China）

This article mainly introduces the advantages of LED light source and two common methods for LED dimming， including analog dimming and PWM dimming. At the same time， combining with laboratory light distribution test equipment， the test of LED auto lamps light distribution is analyzed

auto lamp; LED; analog dimming; PWM dimming; light distribution test

U463.65

A

1003-8639（2017）06-0062-04

2016-11-29

刘然（1990-），女，助理工程师，硕士，目前主要从事灯光电器试验研究。