【來源：高工LED旗下《LED好產(chǎn)品》雜志2月刊 文/潘忠輝】
LED作為汽車燈具上的第四代照明光源，具有長壽命、低功耗、高可靠性等一系列優(yōu)點。隨著大功率白光LED的價格下降和發(fā)光效率的上升，用LED作為光源的汽車近光燈也在逐步興起。
本文擬以歐司朗光電半導體最近完成的一款低成本LED汽車雙投影近光燈的參考設(shè)計分析，希望對行業(yè)同仁有所幫助。
此設(shè)計將采用歐司朗光電半導體的大功率LED－OSLON? Black Flat Two Chips。(圖1)
該LED單顆額定功率6.5W，芯片采用歐司朗光電半導體最新的UX:3技術(shù)，典型光通量約560lm@1A,最大驅(qū)動電流為1.2A(DC模式)，封裝了2顆芯片，發(fā)光區(qū)域面積為2.1mm2(2.1mm×1.0mm)，發(fā)光表面均勻性較上一代技術(shù)產(chǎn)品有大幅提升,同時發(fā)光區(qū)域邊界的明暗對比度十分鮮明，這對于設(shè)計有截止線要求的功能燈十分有用。另外，OSLON? Black Flat Two Chips的最高穩(wěn)定工作結(jié)溫達到150攝氏度，且在較高溫度工作時仍能保持高穩(wěn)定性和較長壽命，同時該LED在結(jié)溫高達175攝氏度時仍能工作100小時左右。因此十分適合在前向燈(forward lighting)中使用。在該設(shè)計中我們采用1.1A穩(wěn)流驅(qū)動，結(jié)溫假定120℃，此時該LED穩(wěn)定后的最低光輸出為508lm。
在整個近光燈的設(shè)計過程中，首先光型需要滿足法規(guī)要求。對于該參考設(shè)計，我們設(shè)計的目標是滿足是ECE R112 Class B，同時由于采用了LED光源，法規(guī)規(guī)定LED模組穩(wěn)定之后的光通量至少要超過1000lm，因此最終采用2顆LED來完成該設(shè)計。
首先來了解一下ECE R112 Class B 中對于近光要求的描述：
由于全球大多數(shù)國家是采用右駕的標準，因此這里我們僅僅描述該標準的測試要求，如圖2所示。整個近光光型我們可以將它分成兩個部分：截止線區(qū)域有最低照明要求的部分以及截止線上方有最高眩光值限制的部分。關(guān)于這兩部分具體照明值的要求我們可以參考圖3，其中75R是整個照明區(qū)域中要求最高的點，需要超過10100cd，同時在截止線上方的ZoneⅢ區(qū)域，眩光值不能超過625cd。
整個設(shè)計的造型如圖4所示，包含了2個投射單元，其中藍色的投射單元用來實現(xiàn)水平截止線以及拉寬的功能，黃色投影單元用來實現(xiàn)15度線截止線以及亮區(qū)的功能。
接下去我們來具體了解這兩種不同投影單元的設(shè)計參數(shù)以及模擬結(jié)果，首先來看藍色的投影單元：
如圖5所示，該投影單元的透鏡尺寸為40mm長，25mm寬，中心厚度為12.6mm，材料為PC，折射率為1.586，LED距離透鏡底面的距離為15mm。
在設(shè)計中我們假定光線經(jīng)過透鏡的光學損失為15%，經(jīng)過大燈燈罩的光學損失也為15%，在這種情況下，該投影模組點亮后在25m屏幕上的光型如圖6所示。由于我們設(shè)計時的光通量輸入為508lm，而投射到屏幕上的光通量為189lm，因此整個系統(tǒng)的效率為37.2%。
然后我們來看黃色的投影單元：
如圖7所示，該投影單元由四個部分組成：LED、橢球面反射鏡、遮光板以及透鏡。為了提高該投影單元的設(shè)計效率，我們將橢球面的光軸和系統(tǒng)的光軸設(shè)置為 不共軸，兩者之間的夾角為12度，如圖7所示。對于透鏡單元，它的尺寸同樣為40mm長，25mm寬，中心厚度僅為9.9mm，整個投影單元總長為 95mm，材料為PC，折射率為1.586。
在設(shè)計中我們假定光線經(jīng)過透鏡的光學損失為15%，經(jīng)過大燈燈罩的光學損失也為15%，在這種情況下，該投影模組點亮后在25m屏幕上的光型如圖8所示。由于我們設(shè)計時的光通量輸入為508lm，而投射到屏幕上的光通量為194lm，因此整個系統(tǒng)的效率為38.1%。
在設(shè)計完兩種不同類型的投影系統(tǒng)后，我們最終將2個投影單元一起點亮，此時光型在25m屏幕上的效果如圖9所示，同時對比ECE法規(guī)的結(jié)果如圖10所 示。從圖10的結(jié)果我們可以看出，該設(shè)計在各個測試點上都有足夠的余量，但是在某些點卻不能滿足法規(guī)要求，如P1+P2+P3，但是根據(jù)我們的經(jīng)驗這些測 試點在最終的成品上是能滿足要求的，由于加工的原因，光線經(jīng)過透鏡以及燈罩或多或少會產(chǎn)生一些雜光，而這些雜光的產(chǎn)生剛好是不合格測試點所需要的。
光源位置的公差分析對于燈具的生產(chǎn)以及組裝都有著重要的意義，因此本文針對該系統(tǒng)也做了這方面的模擬分析。
結(jié)果顯示，對于其中任一模組的LED，當我們將其在所有方向上平移±0.2mm，所得到的兩者光型的疊加均能滿足ECE的測試法規(guī)，當然每個模組的光型需要在垂直方向重新調(diào)整角度，這個在機械方面是容易實現(xiàn)的。
依據(jù)下表鹵素燈光源和LED光源兩者的比較，可以清楚表現(xiàn)出LED在節(jié)能環(huán)保方面的優(yōu)勢。同時，采用LED設(shè)計的燈具，由于光學系統(tǒng)設(shè)計效率高于普通的鹵素燈泡，因此采用LED頭燈做光源，能使夜間駕駛更加安全。
隨著節(jié)能環(huán)保的觀念進一步深入人心以及車主對于車燈造型的更高要求，LED照明燈具將愈發(fā)普及。在可以想見的不久未來，傳統(tǒng)光源必將被LED逐步取代。LED作為主流光源的時代已經(jīng)不再遙遠。
(本文作者系歐司朗光電半導體汽車照明應用經(jīng)理)
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