LED光源的特种灯具研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 10 4 9.36MB 56 页 15积分
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第一章 引言
第一章 引言
§1.1 课题背景
我国是当今世界汽车销量增长最快的地区。2002 年，我国汽车产销量为 325
万辆，2004 年产销量达到 515 万辆，2006 年全年汽车产销分别为 727.97 万辆和
721.60 万辆，同比增长 27.32%和25.13%，以比第三位日本多 100 万辆的规模稳居
世界第二，仅次于美国汽车市场。2007 年上半年，汽车工业继续保持着快速增长
势头，汽车产销双双超过 430 万辆，预计全年汽车产销量将双双突破 900 万辆。S
如果国内汽车市场保持目前的增长速度，我国将在 2020 年前后超越美国，成为世
界第一大汽车市场[1]。
国际汽车工业发展的潮流是机械与电子技术的结合，汽车电子化、智能化程
度的高低已成为衡量汽车水平的最重要的标志。半导体发光二极管（LED）汽车
灯具是国际上汽车电子化、智能化中最耀眼的产品之一，汽车灯具是汽车的眼睛
它最能体现汽车的品位，越是高档车，越注重车灯的设计和品质。众所周知,驾驶
视野的好坏直接影响到行车安全。据统计，驾驶员有关交通的信息 80%以上是通
过视觉获得的，包括路况、交通环境以及对面方向上的车流等，以上信息在光线
充足时很容易通过视觉获得，但是在恶劣环境下，如雨天、雾天或烟尘等干扰的
情况下，就相对困难。数据表明：夜间发生交通事故大约是白天的 3倍，具有良
好的照明条件的道路上的交通事故是没有照明或照明条件不良道路上的 30%[2]。出
于减少交通事故的需求，人们对改进汽车灯光系统寄予厚望。而 LED 车灯可以方
便地提高汽车的安全性能。因为，这种车灯适合根据方向盘的旋转改变前照灯照
射方向的“AFS（Adaptive Front-lighting System）”系统。如果事先在表面上配置
多个白光 LED，那么可以瞬间照亮所需的方位。
本课题之所以主要选择前雾灯进行设计，是因为虽然LED前照大灯国外已经
处在研制阶段，日本小糸公司、德国海拉公司均有样灯展出，但还没有达到商业
化批量生产的程度，其主要原因包括LED的亮度不够强、前照灯使用的白光LED
尚有衰减、价格太高等。鉴于前照灯配光设计较为复杂，相应的法规要求较高，而
目前LED的性能指标很难满足设计要求，所以决定先进行LED前雾灯的设计研究。
§1.2 课题的意义
作为一种新型光源的LED和传统的光源有很多显著的差别：
1、LED光源提供了一种高度方向性的光输出器材，利用这个特点可以做成
不同的光学系统。
2、LED体积小，发光面积小，某些情况下可以视为点光源。
3、白光LED光源显色性丰富，光谱分布较窄。
4、单个LED的发光效率和亮度都还比较低，要多个LED组成阵列使用。
5、在使用过程中LED受温度的影响很严重，用不好会造成光输出下降和早
衰，特别是温度每升高5摄氏度，光通量将降低3％。
6、受电压波动影响很小，但是受电流波动影响却很大，所以要有确保工作
电流不变的稳定的工作电源供电。
汽车灯具长期以白炽灯光源为参照物来决定汽车灯的光学、电学和形状的标
准，这些标准在近期内几乎不可能改变。以 LED 光源替代白炽灯的 LED 汽车灯具
是参照白炽灯标准来设计的，而 LED 光源的基础是LED 阵列，因此LED 汽车灯
1
LED 光源的特种灯具研究
具设计是一套全新的思路[3]。
由于前雾灯和前照灯的设计原理非常相近，所以现在对白光 LED 前雾灯所
做的大量理论研究会对将来进一步研究 LED 汽车前照灯有很大的指导作用，一
旦白光 LED 的性能指标发展到可以用于前照灯的设计时，就可以把白光 LED 前
雾灯的设计方案和经验直接移植过来，这样就大大缩短了 LED 前照灯的研究设
计时间，可以迅速的采用最新一代的汽车照明光源，紧紧追赶世界汽车照明技术
的最前沿。我国是世界上最大的潜在汽车市场，汽车工业已经成为我国国民经济
的重要产业。入关以后关税的一再下调，我国汽车工业，特别是零配件工业将面
临来自国外同行前所未有的挑战。尽快提高我国汽车工业的零配件的本地化程度
和能力，特别是研发具有自己知识产权的汽车电子产品已成为当务之急。
§1.3国内外LED 车灯发展概况
1985 年，尼桑 300ZX 型车上的高位刹车灯采用了 72 个红光LED，标志着
LED 正式被运用于汽车制造领域。基于技术的迅猛发展和成本的不断下降，时至
今日，欧美市场采用 LED 车灯的车型已不罕见。如今 LED 在汽车领域的应用，已
经占到了其在全球份额的20%以上。国内第一次采用 LED 作为汽车光源是在 1999
年由上海小糸车灯有限公司与上海汽车电子工程中心联合开发研制的上海大众桑
塔纳 2000 型高位制动灯[4]。2005 年，Magneti Marelli 汽车照明公司在市场上推出
了第一款全LED 功能的尾灯，我们可以看出，越来越多的汽车厂商已经把 LED
作为未来汽车的理想光源，并且在LED 光源用于汽车前照灯这一技术领域展开了
积极研究，同时 LED 汽车前照灯设计已经取得了一定的进展，虽然目前由于光源
性能限制、价格较贵，生产和维修比较麻烦等缺点使其还不能广泛应用，但是随
着LED 价格的下降和性能提高带来的个数减少，以及设计方面的突破， LED 必
将成为汽车光源的理想选择。
由于前雾灯和前照灯设计原理相同，只是前照灯要求更高一些，另外现有文
献资料大部分是以前照灯介绍为主的，所以下面分析国外具有代表性的LED前灯
时，把LED前雾灯和前照灯一并分析。
§1.3.1 射灯模型
射灯即投影式前照灯，由于较容易设计光型的截止线，所以在传统的汽车前
雾灯和前照灯里面广泛使用。LED概念前灯也以借用这种设计为大多数。其中日本
小糸公司和法国法雷奥公司的设计产品最具代表性，如图1.1、1.2和1.3所示。
图1.1 法雷奥设计的LED前照灯射灯单元结构示意图 图1.2 LED前照灯外形图
法雷奥公司的LED射灯是借用传统的射灯设计，但是比较注重LED光源的利
用率，通过一个水平反射面的新设计，把一些透镜本身收集不到的光线利用起来，
对于目前白光LED亮度不够这一缺陷，在二次光学设计上予以弥补。
2
LED
light
sourc
e
第一章 引言
图1.3 小糸公司设计的LED前照灯光型示意图
小糸公司所设计的LED前灯，也是借用传统的射灯模型，并且在出射光型的
形成方法上，做了很好的研究，它是不同的射灯单元负责出射光型的不同部分，
从而组合成出射光型。
§1.3.2 反射面模型
反射面模型也是传统汽车前灯的设计方法。但是由于LED单元较小，反射面
相应也较小，在较小的面上做复杂的曲面设计会给加工带来很大难度，所以这种
方案使用较少。比较典型的是奥迪公司推出的概念车Pikes Peak的前雾灯，如下图
1.4所示，它是每一个LED对应一个反射面，以单元的形式组成一个整体前雾灯。
图1.4 概念车Pikes Peak的LED前雾灯
§1.3.3 反射面与射灯结合模型
这种设计方式是结合了上面两种设计方式，因此设计特点也是结合上面两种
设计的特点。比较有代表性的是日本小糸公司所设计的LED前照灯，如下图1.5所
示。
图1.5 小糸公司设 计的LED前照灯
纵观世界各LED前雾灯和前照
灯的研究设计来 看，其基本思路仍
是借用传统的车灯设计方式，并针对LED本身的特点做一定改进和创新，主要借
鉴的还是传统的汽车前灯的两大设计模型：射灯模型和反射面模型。
3
射灯单元
反射面单元
LED 光源的特种灯具研究
第二章 LED 车灯系统的设计方案
§2.1 方案概述
本文主要的研究内容是 LED 特种灯具在汽车前雾灯、前照灯上的应用，重点
为LED 汽车前雾灯的研究设计。汽车前雾灯的设计包含4部分，即光学设计，热
学设计，电学设计和机械设计。
光学设计指的是 LED 前雾灯灯具可能用到的反射镜和配光镜形状的设计，即
二次光学系统的设计。光学设计的目的是使灯具的出射光分布满足国家相应的标
准法规要求。对汽车灯具来讲，出射光型分布是关键性的指标，是判别灯具质量
的主要依据，因此光学设计是汽车灯具设计的关键环节。LED 汽车灯具与白炽灯
汽车灯具的光学设计从原理上讲基本是类似的，只是由于所使用的光源不同，而
必须采用不同的光源辐射模型来进行设计。
热学设计指的是对灯具内热流的控制，以尽可能降低LED 的热阻，保证环境
温度和芯片温度都在LED 正常工作的范围之内。LED 工作时伴随着发热，而其发
光特性对芯片温度又较为敏感，芯片温度升高时光辐射输出会降低。多数 LED 工
作时要求芯片温度不超过约 120℃。因此设计 LED 灯具时必须考虑芯片的温升问
题，要为 LED 芯片提供足够良好的散热，使芯片的温升降到最小。LED 汽车灯具
与白炽灯汽车灯具的热学设计是不同的。白炽灯灯具的热学设计主要是考虑选择
合适的高分子材料来制作灯具和合理安排光源与灯具之间的间距，使灯具材料能
承受灯工作时产生的高温，不致引起变形。而 LED 灯具的热学设计主要是考虑降
低芯片的温度，使LED 保持良好的光输出特性。
电学设计指的是选择合适的 LED 驱动电路，并且在电压和环境温度变化时要
保证LED 的电流保持在一个合适的工作范围内，使LED 能维持正常的工作状态。
目前现有的 LED 汽车灯具多采用直流驱动，这种设计是最简单的方式，但恒定的
电流通过 LED 时，释放出的热量容易积聚。所以也可以考虑采用合适的周期性变
化电流来驱动，这样对散热更为有利，这里波形的选择包括峰值、周期等重要因
素。在这方面 LED 灯具与白炽灯灯具存在着区别。许多情况下，白炽灯灯具不需
要电气设计，因为汽车白炽灯电路很简单，直接使用汽车自带的直流电源工作，
而LED 目前的电气设计仍处于摸索阶段。
机械设计指的是 LED 前雾灯灯具的外形设计，即整个灯具外壳的形状设计，
也包括灯具外壳材料的选择。
光学设计，热学设计，电学设计和机械设计 4个方面是相互联系的。譬如说
只有在完成了光学设计，热学设计和电气设计后，才能完全确定整个灯具的结构
和外形，即才能完成机械设计。因此，在设计 LED 汽车前雾灯、前照灯时，必须
综合考虑。在本文中，重点研究汽车灯具的光学设计，其它设计只是略有提及，
未加详述。
§2.2 LED 光源研究
LED 光源是比较特殊的光源， LED 发光体积很小，而且不同于目前常用的
发光部分是线性的卤钨灯和 HID 灯，LED 是一个小的发光面。如下图2.1 所示：
上排三个灯由左至右分别为卤钨灯、HID 和LED，下面三个分别对应于卤钨灯的
灯丝、HID 的弧光放电电弧和LED 的发光芯片。由图可以看出，前两者的发光部
分基本上都是线性的，而 LED 却是边长为 1.5mm 的正方形。
4
图2.2 LED 发光原理
第二章 LED 车灯系统的设计方案
图2.1 卤钨灯、HID和LED 灯及其发光体示意图
设计 LED 汽车前雾灯、前照灯时，对 LED 元件的主要要求有三点：一是高效
大功率、高可靠性(-40℃～125℃)；二是电学、光学参数稳定性、一致性要高（同一
批元件的阀值电压不一致性小于0.1V），单色性好，色差不能过大；三是在直流
驱动下LED 元件经1000 小时点亮，其发光强度衰减要小于20%[4]。S
§2.2.1 LED 发光原理
LED 发光二极管的本质结构是半导体 P-N 结。
当外加足够高的直流电压V，且P型材料接正极，
N型材料接负极，即P-N 结正向导通时，如右图
2.2 所示，电子和空穴将克服在P-N 结处的势垒，
分别流向 P区和 N区。在 P-N 结处，电子和空穴相
遇、复合，产生发光。光子的波长由能带间隙E所
决定：波长=1240/E，其中E的单位是电子伏特，
波长的单位是纳米。每一种 LED 的芯片都有其特定
的E值，因而都有其特定的发光颜色[5]。对于白光
LED，目前有两种截然不同的方法来产生：
(1) 1998 年白光 LED 开发成功。这种 LED 是将
GaN 芯 片 和钇 铝 石 榴 石 （YAG ）封 装 在 一 起 做 成 。 GaN 芯 片 发蓝光
（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG 荧光粉受此蓝光激发
后发出黄光，峰值 550nm。蓝光LED 基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG
的树脂薄层，约 200-500nm。 LED 基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分
蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到白光。现在，对于 InGaN/YAG 白光
LED，通过改变 YAG 荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温
3500-10000K 的各色白光。这种技术被称为蓝光荧光粉技术，目前已商品化的产品
为蓝光单晶片加上YAG 黄色荧光粉。
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LED 光源的特种灯具研究
图2.3 白光 LED 结构示意图 图 2.4 白光 LED 色度图
(2)利用三基色原理，利用目前已经生产的红、绿、蓝三种超高亮度LED 按光
强1∶2∶0.38 比例混合而成白光 LED。
对于制造白光 LED 的这两种方法，究竟孰优孰劣，现在还很难作出判断。三
基色原理在理论上是更高效的，但是会降低它使用的光学系统效率和增加系统成
本。蓝光荧光粉技术本身很简单，根据荧光粉的吸收和转化效率也可以达到三基
色原理技术的效率。然而这两种技术之间最大的不同是三基色原理技术使用颜色
调光技术，而蓝光荧光粉技术是利用颜色特性并将其混合的一种光源。以上两种
方法都可以只使用两种颜色成份产生理想颜色特性的白光，使用 3种成份混合可
以获得显色性更好的光源(Ra80～90)。另外，第一种方法和第二种方法之间混合也
有可能。
当然也有其他一些方法，比如研制紫外光LED，采用紫外光激发三基色荧光
粉或其他荧光粉，产生多色混合而成的白光。下表 1所示为目前常用的白光 LED
的种类及发光原理。
表 1、目前白色 LED 的种类及其发光原理[6]
芯片数激发源发光材料 发光原理
1蓝光
LED
InGaN/YAG InGaN 的蓝光与 YAG 的黄光混合成白光
蓝光
LED
InGaN/ 荧光
粉
InGaN 的蓝光激发的红绿蓝三基色荧光
粉发白光
蓝光
LED
ZnSe 由薄膜层发出的蓝光和在基板上激发出
的黄光混色成白光
紫外
LED
InGaN/ 荧光
粉
InGaN 的紫外激发的红绿蓝三基色荧光
粉发白光
2蓝光
LED
黄 绿
LED
InGaN、GaP 将具有补色关系的 两种芯片封装在一
起，构成白光 LED
3蓝光
LED
绿光
LED
红光
LED
InGaN
AlInGaP
将发三原色的三种小片封装在一起，构
成白光 LED
多个多种光色
的LED
InGaN、GaP
AlInGaP
将遍布可见光区的多种光芯片封装在一
起，构成白光 LED
§2.2.2 大功率白光 LED
目前世界上在大功率白光 LED 方面，以德国OSRAM 公司和美国 LUMILEDS
公司的产品最为先进。各大汽车厂商所研究设计的 LED 概念前灯也都是采用这两
家公司生产的 LED 做光源。本课题所选用的LED 也是从这两家公司的产品中比较
产生。
LUMILEDS公司的大功率白光LED产品以LuxeonⅢStar LXHL_LW3C型号为
6
摘要：

第一章引言第一章引言§1.1课题背景我国是当今世界汽车销量增长最快的地区。2002年，我国汽车产销量为325万辆，2004年产销量达到515万辆，2006年全年汽车产销分别为727.97万辆和721.60万辆，同比增长27.32%和25.13%，以比第三位日本多100万辆的规模稳居世界第二，仅次于美国汽车市场。2007年上半年，汽车工业继续保持着快速增长势头，汽车产销双双超过430万辆，预计全年汽车产销量将双双突破900万辆。 如果国内汽车市场保持目前的增长速度，我国将在2020年前后超越美国，成为世界第一大汽车市场[1]。国际汽车工业发展的潮流是机械与电子技术的结合，汽车电子化、智能化程度的...

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