高功率LED车用信号灯

项新

摘 要：本文意在研发一款高功率LED汽车信号灯，以替代汽车上的传统光源信号灯。本文采用了具有故障检测的LED线性恒流驱动电路，并采用了圆弧状梯形铸铝支架的结构作为辅助散热，使得LED信号灯的亮度在不受电压变化影响的同时，还有效地控制LED的灯具温度，从而大大延长LED灯具的使用寿命。

关键词：LED;线性恒流驱动;散热

1 引言

汽车信号系统是汽车比较主要的主动式安全装置。汽车信号灯的功能是显示车辆的存在和传达车辆行驶状态的信息，以确保行车安全。就目前而言，LED光源是最有前景的汽车信号灯光源。汽车信号灯是汽车的关键部件，也是表示汽车动态信息的最主要装置，安装在车身前后，在汽车转弯时开启，它为行车安全提供了保障。高功率LED信号灯的应用将大大提升汽车信号系统的功能水平，为行车安全的提供重要的保障。

2 面临的技术难点

本文意为设计一款集转向灯和位置灯功能的组合前灯，和传统光源的车灯相比区别很大，需要在开发前期着重考虑以下几点：

（1）虽然LED和传统光源相比，其中一个显著的优点就是寿命长，但是如果在设计电路时考虑不周，LED的使用寿命将会受到比较大的影响，如何有效提高LED的使用寿命需要在电路设计和结构设计时重点考虑。

（2）汽车常规的电源电压一般是12V，但在实际应用中，电源电压并不是一成不变的，一般是在6V-19V之间变化，同时还会伴随着高达几十伏的瞬间峰值电压和低于6V的冷启动电压[1]。因此需要防止LED由于正向电压的变化而引起的电流变动，同时保证LED的亮度趋于稳定。

（3）LED在汽车信号灯的应用越来越多，而汽车对信号灯的亮度是有法规规定的，它不允许亮度低于法规值，但LED在汽车的信号灯应用上通常都是以多光源的形式存在，使用过程中如果一部分LED损坏，其他LED还可以正常点亮，往往这时候信号灯的亮度已经远低于法规值，而此时驾驶员又无法准确识别信号灯已经损坏，这对行车带来一定的安全隐患。

（4）LED芯片属于半导体材料，在工作时受周围环境温度的影响较大。相对于传统车灯，尽管灯泡所产生的热远高于LED，但灯泡输出的亮度不会因为热而发生变化，其热设计的重点是壳体内的均温设计[2]。而LED的光输出却会因为自身的热或来自发动机舱的高温而影响本身结温稳定，温度越高，发光效率越低，如果不能有效控制LED工作环境的温度，那么温度的升高将会引起LED性能下降甚至失效。

（5）成本因素：即使LED在车用照明上有诸多优势，但是在成本上和传统光源相比就显得劣势了很多。目前国内大部分LED厂都只是树脂封装厂，核心的芯片全部为国外进口，并且只掌握在几家比较知名的品牌手中，所以使用高功率LED设计车用信号灯的成本相对传统光源将高出很多。

3 本文的设计思路

3.1 设计原理

通过对以上技术难点的分析，本文最终决定采用具有故障检测的LED线性恒流驱动电路。

该电路包括LED驱动电路、LED照明电路，其中LED驱动电路和LED照明电路相连。此驱动电路包括输入保护电路、故障检测控制电路，其中输入保护电路通过电源线和LED驱动电路相连，故障检测控制电路分别和输入保护电路、LED驱动电路、LED照明电路相连。驱动系统还整合了自检电路模块，当在LED灯具发生故障时及时切断LED供电电源，这样车身BCM模块发现该信号灯无电流时就会给驾驶员发出报警信号，从而提示驾驶员进行更换，提高行车安全。

因为本设计是集转向灯和位置灯为一体的组合前灯，所用均为大功率LED，成本压力比较大。目前市场上的LED DC-DC驱动电路都需要半导体厂家设计的专用芯片来控制，这些芯片的价格都较高，而且基本都是国外进口件。通过对两种灯功能重要程度的判定，最终决定转向灯采用升降压型驱动电路，通过芯片来控制;位置灯采用降压型驱动电路，并采用分立器件来构建，这样可以节约很大的成本。

3.2 辅助散热设计

LED前组合灯的散热，主要通过热传导和对流换热两种方式进行散热。具体过程为：LED 芯片产生的热量，经过金属电极或者金属散热垫传导到壳体上，再经壳体传导到金属基板上，接着通过热界面材料传导到金属散热器上，金属散热器再将热量传导至散热器远端，最后通过与周围空气的对流换热，把热量发散到空气中，这就是LED光源的完整散热过程[3]。

金属基板虽然解决了LED芯片及其电路的固定安装和导热问题，但对于大功率LED光源，金属基板的散热远不能满足要求，必须还要连接一个散热器来将热量进一步传导，最后耗散到空气中。考虑到灯具的整体造型及内部结构，本文采用了圆弧状梯形铸铝支架的散热结构。弧形结构不仅提高了灯具的观赏性而且增加了LED的散热面积，并且在保证LED发光亮度的同时还增加了LED的发光面积，提高了行车安全性。

金属基板与散热支架的连接，最简单的办法就是用螺钉或铆钉连接，但这种连接方式会因为二者表面不平而产生空隙。因此，需要在二者之间填充一种软性材料，用来隔绝空气的存在[4]。本文最终采用导热硅脂作为媒介，使得LED产生的热量通过导热硅脂传递给散热支架，散热支架发出的热量再次传递给空气。散热支架的设计通过这一特点把散热筋的方向设计跟空气流向一致，减少空气流通阻力，通过热空气带动气流，以起到有效地散热。

4 结论

目前该设计已经通过了质量检测和相关实验，经过客户反馈，各项技术指标均达到了要求。该设计和之前的传统光源信号灯相比，颜色更稳定，不会因为使用时间长颜色发生改变，并且节能省电，最重要的是点亮速度快，反应时间短，所以能够迅速的向其他车辆传递信息，这就大大保障了行车安全。

参考文献：

[1]付贤政.高亮度车用灯驱动电路研究[J].榆林学院学报，2011，21（04）.

[2]張晓玲，卫修明.LED汽车前大灯散热与光衰研究[J].安徽工程科技学院学报，2010，25（01）.

[3]刘鹏.LED汽车前照灯散热分析与优化[D].武汉工程大学，2015.

[4]殷录桥，张金龙，宋朋等.热界面材料对高功率LED热阻的影响[J].光电子激光，2013，24（10）：1862-1867.