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Trace Pro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;
一、 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。
二、 尾灯设计
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。
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。
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， 电流为140m A, 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140m A输出电流的目的。则每块芯片输出电流为47m A, 因此Rext=0.6/0.047=13Ω， 故取Rext=13Ω。
4、 LED导光条光学设计
将LED导光条模型导入Trace Pro, 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。
三、 仿真与实测
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。
图1 LED驱动电路
使用Cadence Or CAD 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：
图2 输入输出电压特性曲线
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。
图3 输出电流特性曲线
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150m A左右， 与LA G6SP的140m A最佳工作电流很接近。
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。
图4 LED压降曲线
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450m W左右。
图5 90℃下单个LA G6SP的功耗曲线
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 电源的功耗曲线
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。
图7 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。
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.
表1 测试结果
从表中可以看出， 该后位置灯配光性能满足国标的要求。
四、 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 Or CAD Capture和Trace Pro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.
