毕业设计论文LED在汽车照明领域的应用与电路设计

1、ii毕业设计,led在汽车照明领域的应用与电路设计 摘 要汽车光源在照明的领域中占有极其重要的地位，汽车照明的产量占整个照明光源总产量的10左右。led作为一种新型的固态光源，正在逐渐被应用在汽车的照明系统中。led是继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。led具有结构简单、无延迟、节能效果显著、重量轻、安全性能好、抗震、无污染、免维护和寿命长等特征。led已成为钨丝灯、卤素灯的必然取代产品，将成为汽车的第四代照明光源。在通用照明led技术尚未成熟前，车用市场是最被看好的led市场。本文从led在汽车照明系统中应用的可行性入手，分析了led在汽车低照度及高照度照明中的应用，对le

2、d应用于汽车照明系统存在的问题进行了分析，并设计了一个led驱动电路。关键词：led，汽车照明，刹车灯，led驱动电路，protel99abstractautomotive light sources have an extremely important position in the field of the lighting. led is a new type of solid-state light sources. led is gradually being used in the automotive lighting systems. led has a lot of adv

3、antages such as simple structure，without delay energy-saving，light weight，safety，earthquake，pollution-free，maintenance-free and long life. led has replaced the tungsten lamp and the halogen lamps. led is becoming the fourth generation lighting of automotive lighting. before the ledq lighting technol

4、ogy is general becomes mature the vehicle market is the most optimistic about the led market. this article analyzes led in the low light intensity and the high light intensity application from the feasibility that led applies in the automobile lighting system. and analysis the question that led appl

5、ied in the automobile lighting system。and i design a led driver circuit.key words: led，automobile lighting，brake light，led driver，protel99目 录1 绪论11.1 引言11.2 车用光源的发展11.3 led发光二极管的简介21.4 led照明技术的发展历程31.5 led车用光源的发展趋势分析42 led与其他车用光源性能特性分析比较62.1 引言62.2 led车用光源的优势62.3 led车用光源存在的主要问题72.4 小结83 led在汽车照明领域的应

6、用93.1 引言93.2车灯分类与基本要求93.3 led在汽车低照度照明中的应用103.4 led在汽车高照度照明中的应用103.5 小结124 led车用光源设计分析134.1 引言134.2 车用led封装技术134.3 车用led灯光亮度要求144.4 车用led光学设计144.5 车用led散热问题144.6小结155 led车用刹车灯的硬件设计165.1 引言165.2 led刹车灯设计理念165.3 基于led刹车灯的总体框图设计175.4 基于led刹车灯的升压电路设计185.5 基于led刹车灯的驱动电路设计215.6 protel软件的应用235.7 总体设计246 全文总

7、结28参考文献30致谢3131led在汽车照明领域的应用与电路设计 1 绪论1.1 引言汽车灯具从最原始的蜡烛灯，发展到现在普遍使用的白炽灯，近几年来又出现新型得hid灯以及led灯。led车灯被称为第四代汽车光源。led车灯拥有质量好、使用寿命长、无污染等白炽灯无法比拟的优点。led化是车灯发展的一个大趋势，也必将是汽车照明系统发展史上的一次飞跃。目前中国有购车能力的家庭为 2000万户。2002 年中国汽车产销量为325万辆，2003 年产销量是30万辆，2004年的产销量是515万辆，2005年我国汽车销量已达到590万辆，首次超过日本成为继美国后的第二大新车消费市场。2008年，我国新

8、车销售938.05万辆，同比增6.70%，而美国汽车市场的新车总销量则为1320万辆，比2007年的1610万辆减少300多万辆，降幅达18%。据预计到2025年，中国汽车市场的规模将达到目前美国汽车市场的规模。中国已经成为当今世界汽车销售增长最快的地区1。中国汽车消费市场的不断增长必将带动汽车照明市场的发展，led汽车灯作为汽车照明灯具的必然趋势，将会在中国有长足的发展。中国也将会成为led汽车灯具的最大消费市场。基于led在汽车照明领域存在的大量优势，以及汽车照明未来在中国的发展趋势，本次论文主要的研究方向是着重于led汽车照明灯的研究、应用以及led汽车刹车灯的设计。论文的第一章介绍了车

9、用灯源的发展、led灯的简介及其发展趋势，第二章介绍led与其他汽车光源的性能特性的分析比较，第三章介绍led在汽车照明领域的应用，第四章对led车用光源设计进行了分析，第五章介绍了led车用刹车灯的硬件设计，第六章为小结。1.2 车用光源的发展汽车灯具的心脏是光源，汽车灯具的演变随着汽车光源的变化而发生着改变，大体上车用光源经过了如下的四个阶段：第一代的汽车照明光源是由燃料来直接燃烧发光，它只能满足早期汽车使用灯具要求，但存在发光效率低、光亮强度弱、光源性能不能稳定、使用操作复杂等明显的缺点。第二代的汽车光源是白炽灯。1879 年爱迪生发明白炽灯，1913 年美国首先将白炽灯技术应用在凯迪拉

10、克汽车的前照灯上，自此汽车灯具发生了革命性的变化，汽车照明开始进入了电气时代。后来又先后出现了汽车反光镜、发电机、蓄电池等新技术，1925 年汽车开始真正进入了白炽灯汽车灯具的时代。20 世纪50 年代开始又出现卤钨灯，它很快成为汽车照明中强光源的主要灯具。第三代的汽车光源是气体放电灯（hid）。它具有高发光效率、高可靠性和高亮度等性能优点，hid将替代白炽灯和卤钨灯成为新型的汽车前照灯的适用光源。第四代汽车光源是半导体发光二极管（led）。led不是通过热能使物体升温而发光，它是由电能直接转换为光，因而led被称为冷光。1.3 led发光二极管的简介led是英文light emitting

11、diode的缩写，即：光线激发二极管，是属于一种半导体元器件。单个的led是有金线、led芯片、反射环、阴极导线、塑料导线、阳极导线组成。图1-1是led的横截面图。图1-1 5mmled横截面图发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的pn结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。pn结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称led。led的发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合

12、辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从led阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。打个比方，led就像一个汉堡，可以发光的材料是夹层中的“肉饼”，而上下的电极就

13、是夹肉的面包。而通过对其中发光材料的研究，人们逐渐开发出各种光色、光效率越来越高的led元件，但是无论怎么变化，led总的发光原理和结构都没有发生太大的变化2。图1-2 led发光原理1.4 led照明技术的发展历程在led刚刚出现的时候，其发光的颜色和效率都比较低。当时主要使用的发光材料是“gaasp”，驱动电流在20ma，只能发出红色的光，而且发光效率只有0.1流明/瓦，因此亮度仅仅能够满足一些仪表、电器上的指示之用，并没有得到广泛的使用和注意。而在随后的几十年里，一些新的发光材料被逐步引入到led当中，led逐渐开始显露出强劲的发展后劲。在70年代中期，通过引入元素in和n，使得led可

14、以发出波长为555纳米的绿光、波长为590纳米的黄光和波长为610纳米的橙光，同时发光效率也提高到了1流明/瓦。到了80年代初，又出现了使用gaalas的led光源，使得红色led的光效达到10流明/瓦。而进入90年代后，能发出红光、黄光的gaalinp和发出绿光、蓝光的gainn两种新材料的开发成功，使led的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的led在红、橙色光区域（波长615纳米左右）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的led在绿色区域（波长为530纳米）的光效也可以达到50流明/瓦。不仅超过了传统的白炽灯，而且和发光效率较高的荧光灯已经非常接近。而按照材料科学的发展速度，发

15、光效率能达到200流明/瓦的led也将在较快的时间内问世。而在led发光技术的发展史上，白光型led的出现，则成为led进入快速发展阶段的重要突破。在上世纪末，受到荧光灯发光原理的启发，led厂家通过在高亮度蓝光led管芯上加一层荧光粉，用蓝光激发荧光粉发出白光的led发光元件。此外，通过采用不同的荧光粉，可发出色温为450010 000k及色温为28503800k的多种白光led，也让白光led具备了成为新一代照明设备的能力。目前，白光led的发光效率大都已超过30流明/w，某些产品已超过50流明/w的水平，具备了正式大规模实用化的基础。 经过这么多年的发展，led照明发光技术已经便成为一种

16、相对成熟的事物，市面上不仅有能发出各种色彩的led产品，也出现了大量可以用于直接照明的led产品，此外，在显示领域，led产品也经历了从单色到彩色，从低分辨的文字到高分辨率图像显示的进化过程，正在日益影响着我们的生活和工作。1.5 led车用光源的发展趋势分析1.5.1 国际发展趋势世界目前led产业投资是很热的一个重点项目，全球各国对led的研发生产都比较重视。日本已经实现19982002年耗费50亿日元推行白光照明，整个计划的财政预算为60亿日元。同样的美国在2000年制定的“下一代照明计划”被列入了能源法案，计划从20002010年，投资5亿美元，用led取代55%的白炽灯和荧光灯，预计

17、到2025年，固态照明光源的使用将使照明用电减少一半，每年节电额达350亿美元，形成一个每年产值超过500亿美元的半导体照明产业市场。图1-3 2002-2011年全球led市场规模预估1.5.2 国内发展趋势我国也正在加快led发展的步伐。未来5年，我国也将把半导体照明作为一个重大工程进行推动。中国是电子制造业的大国，并且正在迅速发展，国内的手机、汽车等产业是led发展的巨大推动力，而且随国家半导体照明工程的发展，国内led产业具有广阔的发展前景。2008年中国在发展led产业方面已有很大优势。首先，中国有很大的市场需求。其次，从资源角度看，中国具有丰富的有色金属资源。再有就是半导体照明产业

18、是一个技术密集型和劳动密集型的产业，比较适合中国的国情。如果中国能够在外延、芯片的制备以及自主封装技术方面坚持自主创新，完全有可能实现中国半导体照明产业的跨越式发展。预计2010年中国整个led产业的产值将超过千亿元。图1-4 2001-2006年中国led照明市场规模图1-5 2006-2010年中国led照明市场规模2 led与其他车用光源性能特性分析比较2.1 引言随着汽车工业的迅猛发展，汽车照明用电快速增加，不仅要增加大量的电源投资，而且还会产生污染。照明对能源及其环境方面的影响引起人们的关注。为此，工业发达国家纷纷制定了绿色照明工程计划。如美国环保属在1992年启动了绿色照明工程，我

19、国也在1996年正式启动了绿色照明工程，所谓绿色照明就是在保证照明质量的前提下节约照明用电，减少因照明用电增加而导致的环境危害。毫不例外，汽车上同样大力提倡采用既节能又环保的光源，实施绿色节能照明。2.2 led车用光源的优势（1）节能化研究资料表明，由于led是冷光源，半导体照明自身对环境没有任何污染，与白炽灯、荧光灯相比，节电效率可以达到90以上。在同样亮度下，耗电量仅为普通白炽灯的1/10，荧光灯管的1/2。如果用led取代我们目前传统照明的50，每年我国节省的电量就相当于一个三峡电站发电量的总和，其节能效益十分可观。表2-1是led与各种车用灯具参数的比较。可以清楚地看到led在节能方

20、面的突出优势。表2-1各种灯具节能率比较参数普通白炽灯t5荧光灯高压钠灯金属卤化物灯照明led节能率无与t8相比节能18%与高压汞灯相比节电37%与高压汞灯比节电30%与高压钠灯比节能3a : 0.3a 10倍（2）发光效率高led经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明瓦，荧光灯5070流明瓦，钠灯90140流明瓦，大部分的耗电变成热量损耗。led的光效经过改良后将达到达50200流明瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。目前，世界各国均加紧提高led光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。表2-2是led与其他

21、车用光源在发光效率上的比较。表2-2各种灯具发光效率比较参数普通白炽灯t5荧光灯高压钠灯金属卤化物灯照明led光效12lm/w96 lm/w100-120 lm/w75-95 lm/w50 lm/w（目前达到75m/w）（3）健康化led是一种绿色光源。led灯直流驱动，没有频闪；没有红外和紫外的成分，没有辐射污染，显色性高并且具有很强的发光方向性；调光性能好，色温变化时不会产生视觉误差；冷光源发热量低，可以安全触摸；这些都是白炽灯和日光灯达不到的。它既能提供令人舒适的光照空间，又能很好地满足人的生理健康需求，是保护视力并且环保的健康光源。（4）使用寿命长采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热

22、沉积、光衰减等缺点。而采用led灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达10万小时。led灯具使用寿命可达510年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。表2-3是led与其他车用照明灯在使用时间上的比较。表2-3各种灯具使用时间比较参数普通白炽灯t5荧光灯高压钠灯金属卤化物灯照明led使用时间2000小时10000小时15000小时15000小时50，000小时（5）响应速度快以刹车灯和方向指示灯为例，假设车辆时速为125公里/小时，即35米/秒时，白炽灯的热启动时间约为250毫秒，而与白炽灯相比，led可提早约8米距离发出刹车警告，从而有效避

23、免汽车相撞。转弯指示灯也是如此。（6）有利于环保led为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护3。2.3 led车用光源存在的主要问题（1）价格问题led汽车灯除上述优点外，还有一些障碍需要跨越。 首先价格是一个主要问题，led汽车灯比卤素灯和白炽灯贵的多。进口led汽车刹车灯的零售价格从24.50到58.00美元不等。（2）led的热管理问题led的多数电能均转化成传导热而不是辐射热，并不能很好地进行车内照明，更重要的是热量将导致led半导体温度过高，很容易损坏；同时led车灯的流明并没有随电流同比

24、增长，即用电多也不一定会亮得更明显；而led发光具有明显的方向性，照射广角度不够；外界环境温度对led灯的影响同样巨大，所以对它的热管理是最根本需要解决的问题，这涉及对电流元器件，尤其是热敏电阻器的控制与管理，电流的线性控制是led能否正常并安全工作的关键。led会随温度与电流的变化而改变颜色，可能影响夜视效果和距离判断；电流频率甚至可能导致光线频繁闪烁。同时，大部分国家与汽车照明相关的法律对led车灯并没有太多的支持，也限制了它的发展。2.4 小结作为一种出现时间最晚的照明技术，led的优点不仅体现在发光质量方面，更在生产、制造、易用性等各方面都要大大超越白炽灯、荧光灯等传统光源。现在的le

25、d发展非常快，光效在不断地提高，在这个前提下，汽车用led灯将会越来越普遍，其低能耗、小型化、无需维护和设计上自由度较大等优点是让人很期待的。3 led在汽车照明领域的应用3.1 引言最近几年，燃料费的变化让汽车都力求低能耗，这就使得汽车上的led应用越来越多，并有取代汽车密封式前大灯和其他汽车用白炽灯的趋势。图3-1标示了汽车中led灯具的主要安装位置。本章节就是对led在汽车上的应用所作的介绍。3-1 汽车中主要led灯具的安装位置3.2车灯分类与基本要求汽车灯具总成的基本组成部分是灯光组，灯光组包括三部分：光源（灯泡）、反射镜及透光镜。汽车灯具以其功能不同可分为两大类：照明灯具和信号灯具

26、。照明灯具包括：前照灯（近光灯和远光灯）、前雾灯、倒车灯、侧照灯等；信号灯具包括：位置灯、示廊灯、转向信号灯、制动灯、后雾灯、牌照灯以及回复反射器等。其中，前雾灯和倒车灯既是照明灯也是信号灯。1. 前照灯前照灯即俗称的前大灯，以其装用的光源不同，可分为气灯（气体放电灯）及电灯。电灯又分为白炽灯和卤钨灯。目前，我国主要使用的白炽灯泡，前照灯包括近光灯及远光灯。近光灯是当车辆前方有其它道路使用者时，不致使对方炫目或不舒适感所使用的近距离照明灯具，即会车时使用的灯；远光灯是当车辆前言无其它道路使用者时所使用的远距离照明灯具。从前照灯的型号来看，照明灯（前大灯）大致分四种:h1、h3、h4、h7等型号

27、。日本车的车灯型号大多为h4；欧洲车的车灯型号是h1、h3、h7、d2s/r；美国车的车灯型号则为hb3（9003）、hb4（9004）、hb5（9005）。2. 前雾灯主要是用于改善在雾、雪、雨或尘埃情况下道路照明的灯具。为防止迎面车辆驾驶员的炫目，前雾灯光束在地面的投射距离相对近光光束来说要近。3. 其它灯具位置灯，即一般所说的小灯，它主要是表明车辆存在和宽度的灯；制动灯即刹车灯，从车辆后方观察，表明车辆正在制动的灯具。目前，要求安装的后雾灯，它主要是在大雾情况下，从车辆后方观察，使得车辆更为易见的灯具。由于它的穿透力强，可经在很大程度上，减小不良天气情况下汽车的追尾事故，预防交通事故的发

28、生。3.3 led在汽车低照度照明中的应用led在汽车低照度照明系统中的应用主要是仪表板背光照明、操作开关、阅读灯、示宽灯、牌照灯等，这是汽车制造商最早将led应用于汽车，同时也是目前led在汽车中应用最多的部分。汽车内部的显示，如仪表盘，过去主要采用白炽灯或真空荧光（vf）来提供背光，后来出现了用ccfl作为背光源的显示板。随着led技术的不断进步，led已经取代传统光源组合到背光照明中。从仪表盘到整个娱乐、导航、行程计算及信息中心控制显示等等，led几乎无处不在。led用于背光照明主要有以下三种方式：（1）最简单的方式是把led直接安装在lcd散射膜的后面，可使用许多封装的led，也可采用

29、未封装的管芯。（2）另一种方式是将led发出的光导入光纤束中，在光纤束的散射膜后面构成一个平坦的薄片，可以不同的方式将光从薄片中取出作为lcd的背光照明。（3）还有一种方式是边缘光lcd背光照明，用一个透明或半透明的矩形塑料块作为导光体，将其直接安装在lcd散射膜后面，塑料块的后表面涂有白色反光材料，led光从塑料块的一个侧边射入，其余侧边或白色反光材料。当多个led一同用于汽车仪表盘照明或娱乐系统控制时，颜色和亮度的一致性就显得特别重要，被照区域的亮度需要均匀一致，不应有任何阴影。led在汽车内部的照明主要包括一般照明用顶灯、阅读灯、门锁灯等等。其达到的目的是提供放松和友好的和谐气氛，以减轻

30、驾驶员的疲劳，改善和提高舒适程度，帮助驾驶员能得到大量可读和清晰的信息。3.4 led在汽车高照度照明中的应用（1）led在汽车信号灯中的应用汽车信号灯主要指刹车灯、方向灯和尾灯，对其照度和颜色都有明确的规定。在上个世纪80年代中期，led开始进入到汽车产业。我国第一个led车灯是桑塔纳2000型轿车的高位制动灯，它由上海汽车电子工程中心和上海小系车灯有限公司联合开发，并于2000年通过上海大众汽车公司认证而投产。迄今为止，led在汽车上的应用除了仪表lcd面板背光照明外，最流行的当属中央高位刹车灯，目前已有80以上的欧系和日系汽车安装了led中央高位刹车灯。在早几年的2004年北京车展上，法

31、国富奥公司展示了用4个led做成的高位刹车灯，还有用一个led灯来实现所有尾部信号灯功能，包括停车灯、后小灯、转弯指示灯、雾灯和倒车指示灯等。到2010年，绝大部分汽车尾灯照明将采用led，包括刹车灯、倒车灯和牌照灯在内。2000型凯迪拉克和s级奔驰车上，后灯（尾灯、刹车灯和转向灯）全部使用了led。新奥迪a8轿车侧面转向灯、行车灯、刹车灯和转向灯等，也全部使用了led。目前国际上新款式高档轿车，如凯迪拉克、宝马、丰田、奔驰和福特等，都装配了五彩缤纷led灯具。（2）led在汽车前照灯中的应用初见端倪前照灯是汽车在夜间行驶时照明前方道路的灯具，是保障汽车安全运行的重要部件之一。前照灯的照明距离

32、越远，配光性越好，汽车行驶的安全性能也就越高。汽车前照灯发出远光和近光两种光束，其中远光在无对方来车的道路上，汽车以较高速度行驶。远光应保证在车前100m或更远的路面上得到明亮而均匀的照明。在全部车led灯具中，最难也可能是最后投入使用的则是车头的前照灯。目前led前照灯都只是用在一些车展上的概念车上。自2003年以来，有15家汽车制造厂在相关车展上展出了采用led头灯的概念车。在北美一次国际车展上登场的福特概念车中，其中一辆则采用了led头灯。日本小系等公司也有样灯展出。2007款林肯aviator等车型同样采用全新的照明系统，其中包括led前照灯。lexus公司在2007年推出一款2008

33、lsgoohl混合动力豪华汽车量产车，其前照灯采用了led设计。日本丰田于2007年在凌志600h车型上开始安装led车头前照灯，德国大众计划于2008年在奥迪r8车型上安装led前照灯。从目前的情况来看，led前照灯还处在研发阶段，预计在10年之内将会在普通轿车上比较普遍地被采用。led这种新光源，对于汽车前照灯的形状和排列有着较大的灵活性。利用led体积小这一优势，可以大幅缩小前照灯整组灯具的体积，让出一些宝贵的空间给其它相关装置。现有的卤钨灯或hid灯灯具总长约30cm，而许多概念车上的led灯具只有12.5cm，而且可以在造型上突破传统灯具的圆形设计。由于led采用模块化设计，从造型上

34、看，前照灯设计给人们以全新的视觉冲击。使用led作为前照灯，不仅颜色识别性比卤钨灯等老式灯高，而且由于老式灯只有一个光源，难以扩大照明区域，而led灯具有多个光源，由此可使照明区域广度扩大4。3.5 小结整体看，汽车用灯led化是一个非常广阔的市场。但由于汽车领域的准人门槛较高，所以汽车用led现在还没有全面广泛的进入市场，相信随着汽车工业的不断发展，汽车用led灯将在未来几年广泛的应用在汽车市场。led化是车灯发展的一个大趋势，其必将是汽车照明系统发展史上的一次飞跃。4 led车用光源设计分析4.1 引言汽车上的灯光系统不但让驾驶者能实际了解车子的状况，更提供了安全驾驶过程中所必须兼具的条件

35、。新一代的led光源，已进一步扩大应用于汽车的外部和内部，并根据各个应用面不同需求，出现多种led产品。基本上，由于led与传统的光源除了在外型上的差异之外，光形与效能输出也有很大的差异，因此，要将led完善地应用在汽车灯上，包括光学设计与散热设计等，将与传统汽车灯具的设计概念有所不同。一旦汽车能与led成功地进行整合，并克服技术门槛，将可为汽车设计开创出崭新的天地。4.2 车用led封装技术不同的led元件有着不同的应用途径及环境范围，因此封装方式也有其差异。倘若led的芯片及封装技术能够进一步提升，产品亮度更可提高一倍。随着应用层次的不同，汽车制造厂必须要选择不同led光源与封装技术，才能

36、面对车上各个不同的环境要求。一般来说，led在汽车工业方面的应用，乃是根据亮度的差异，将其简单归类为指示灯、投射光源用与照明光源等三种不同类型的需求，说明如下。指示灯的应用由于此范围所使用的led光源流明值需求不高，其消耗功率也较低（约为70200mw），所生成的热源对封装体的影响较小，所以许多厂商在设计封装时，往往会忽视掉热源可能会导致的后果，因此，大部分是采用树脂类的材料直接将led整个包覆起来，再进行封装的动作，也因为树脂类的材料对于热的传导系数较低（wk），容易产生散热不佳的情况，使得led元件与散热系统之间的界面热阻系数会因此而提高。车内照明光源应用除了上述所应用车内指示灯源之外，还

37、可用于亮度要求较高的车内照明、雾灯与前后方向指示灯。因为亮度需求提高，其封装功率也必须相对提升。不过，如此一来，led很容易就会因为功率增加而影响到色彩的问题，因而不得不将散热问题纳入考虑的重点。在封装设计上，除了可以使用树脂类的材料封装外，还可以设计成金属块衬底能在第一时间便将led所产生的热源导出，以便维持led的发光效率与热阻问题。汽车投射灯源的应用这是目前在led在汽车应用上封装亮度要求最高的一种，以前照明系统为主，包含了雾灯、近光灯、远光灯，单个体的封装必须达到4w以上，而热阻则必须小于5kw，才能在高温的环境下，正常维持led主体的散热能力，保持led光源的输出效率在规定范围内5。

38、4.3 车用led灯光亮度要求基本上，以流明亮度的需求来看，一般在汽车内部所使用的照明设备大约需要80流明的亮度，大多采用表面安装（surface mount technology；smt）的封装方式，单体封装约为2流明输出之多，其发光效率则可以达到15201mw之间。其次，车用的高位刹车灯则约略需要30 流明的亮度，一般采用直径5mm 的炮弹型（lamp）封装技术，借以加强设计光照角度及强度，再通过树脂透镜安装在发光元件上，而达到对光的调节，其单体封装亮度约4流明，发光效率则可达20401mw。汽车尾灯对于亮度的要求，约在300500流明之间，一般采用1w的smt 封装技术，单体封装亮度约1

39、020流明，效率可达15401mw。受限于发光亮度不足，在过去，led大多是作为车内指示灯或是仪表照明用途，而近几年才开始运用在高位刹车灯、尾灯、方向辅助灯等。以上是安装在汽车上实际作为车体的光源量测数据，而目前led厂与车厂正积极合作，试着将led导入前照系统（头灯、雾灯）中，其中车厂对于头灯的亮度需求约2000 流明的白光，led厂目前则应用高瓦数的smt led封装架构，每单体封装可输出100200 流明，效率预期提高至501001mw。4.4 车用led光学设计光学设计时先考虑法规需求，讨论视角与强度关系，以近灯为例，须针对其特殊的15 度仰角设计。在传统的灯具设计上是由先期的利用反射

40、罩配合透镜刻纹作角度与强度的控制，演变成为利用反射罩直接控制强度角度，也发展出利用成像方式的鱼眼透镜设计法。不论何种的设计方式都须先考虑选用光源的特性，特别是角度与强度的光型输出，对传统的光源而言，大多为柱状光源，可产生类似蝴蝶外型的光型输出，进而发展出来与之搭配的透镜、反射罩、挡板、透镜等光学组件。而利用led作为光源设计灯具时，需重新考虑其光学特性由传统的柱状光源变为平面光源，进而搭配外部的光学组件而产生不同组合以应用于不同产品，依照德国车灯大厂hella 的设计分类，可将光源分为八大类。led目前的单位面积发光量尚不及卤素灯泡与放电式灯泡，想得到相同的流明输出，led需要较大的封装面积。

41、随着光源输出面积的增加，光学设计的难度也随之提升，所以在现有的概念车上，都以模块化光学设计取代既有的单一灯室设计，利用多组灯源达到传统灯具的照明水平，除了降低光学设计的难度，也增加车体造型的设计感。4.5 车用led散热问题由于led的输入电能约有90%的转换热能必须排出，这远比传统灯源要来的高上许多；另外，led管芯归类于半导体材料，不耐高温（120），由管芯至大气的排热只容许约50温差，更是远低于传统灯泡，因此，散热设计是led光源区别于传统光源的课题之一，再加上灯具不能使用风扇散热，而且灯具产品要能推广到汽车市场普及，还得要进一步考虑到外观造型与灯具的光学设计原理，这将是高功率led照明

42、设备极为困扰的问题。严格来说，传统所使用的灯具所产生的热源其实远高于led；不过，传统灯具不会因为高温而降低其光源输出能力，但led的光输出却会因为本身原理问题，使led的发光效率受到影响，而其产生的热如何散除到外界环境与其封装结构材料息息相关，牵涉到使用的散热材料与相关外型。其中热阻的概念，代表输入1w功率时，需要提高多少k温度才足以散热。以现有的封装技术最高可允许led操作在185，但一般因为封装胶材的关系，可允许的操作温度约在125，除了考虑光源输出效率之外，还必须要考虑封装胶材的变质，例如，树脂类材料在作为包覆led晶体时，若在高温时容易产生的老化现象。目前有厂商发展出以“热力均温超导

43、技术”，可将led所产生的热源进行聚热分散的效果；也就是说，当led灯具的温差在1的范围之间，再采用强制散热技术，利用灯具所设计的防尘遮蔽的半开放式空间进行空气换气的动作，也就是可以让空气产生对流，而达到传散热能的效果。而这个发展概念就像人体散热一样，除靠皮肤散热外，也靠第二个空间的肺，以进行呼吸获得强制散热6。4.6小结在led产业中，制造过程中容易导致芯片不均匀的状况发生，而发展出所谓的分类销售的过程，尤其是瓦数较高的芯片，在led产业中更必须要进行全检才得以出货，再根据led波长进行下一步的细致分类，虽然在进行封装之后，每颗led的个体还是会在亮度、色温、可靠度上存有细微的差异。而以le

44、d作为汽车头灯的应用，将会采用多个芯片设计方面，才得以输出足够的发光效率以进行汽车灯具的光学设计。另外，需要关注的是led的质量检测与质量管控，才能确保led具有相同质量的灯源输出效果。自从2004年以来，市场上至少已经超过13家以上的汽车厂商在相关车展中，相继展示出led头灯为市场需求的概念车款。甚至，lexus 汽车已经推出一款以led为头灯的量产汽车，相信以led汽车上的灯源所遇到的难题，势必会在消费者引颈期盼下，逐渐获得舒缓。而led先天上就具有体积小的优势，应用于前置灯具时更可缩小整组灯具的体积，进一步让出宝贵的引擎空间与其它相关设备，以现有的卤素灯泡或是放电式灯泡设计的灯具总长约3

45、00mm，而在许多概念车的设计上，led灯具只有125mm 长，而借助体积小的优势，更可以配合设计多款不同的造型，进而为车体造型创造出不同的视觉观感，进而摆脱过去汽车灯具的圆形设计概念。5 led车用刹车灯的硬件设计5.1 引言近些年来，随着红色led的发光强度的提高、能耗的降低及价格差额的不断缩小，使汽车后部灯中的led刹车灯取得了很大的进步，现在一个红色led刹车灯的光通量已经达到了6lm（150ma） ，表3-1 为白炽灯与led的比较，刹车灯要求全天候工作，这所造成的燃料费用的差额不断增加的情况是不能忽视的。表5-1 白炽灯与ld的比较（刹车灯）功能地区中心光强白炽灯功率led功率刹车

46、灯美国110cd42w8.1w 欧洲 日本60cd42w5.4w汽车发生追尾的真正原因是因为前后车的刹车不同步。急刹车时，后车司机始终滞后于前车，对于120km/h的车速，将向前多冲17米。哪怕向前少冲一米，也可能减少发生一场追尾事故。led车灯具有反应速度快，辨识效果好，耐震等特性。就led在上述方面的优势特点，本章节给出了一种led刹车灯的设计方案。5.2 led刹车灯设计理念5.21 刹车灯亮度问题设计由于刹车灯所使用的led光源流明值需求不高，其消耗功率也较低（约为70200mw），所生成的热源对封装体的影响较小。车用的刹车灯约需要30 流明的亮度，一般采用直径5mm 的炮弹型（lam

47、p）封装技术，借以加强设计光照角度及强度，再通过树脂透镜安装在发光元件上，而达到对光的调节，其单体封装亮度约4 流明，发光效率则可达20401mw。本次设计中，拟采用20个发光二极管进行串联，单个发光二极管约需数十ma电流，利用升压芯片，对小车用12v直流电压进行升压，使其达到34v，来驱动三路60只发光二极管，达到车用刹车灯亮度的要求7。5.22 刹车灯热管理问题设计由于led的效率不高，输入电能约有80%转换为热能，必须排出；另外，led晶粒归类于半导体材料，不能耐高温（120c），由晶粒至大气的排热只容许约50c温差，更是远低于传统钨丝灯泡，因此，散热设计是led光源区别于传统光源的课题

48、之一，再加上灯具不能使用风扇散热，这将是高功率led照明设备极为困扰的问题。 但当温度增加时减少电流，一般而言，电流下降25%，单个led的亮度变化并不明显。基于上述原理，此次设计汽车刹车灯的工作模式为：当行驶灯时的亮度为额定值的30%50%左右.当刹车灯时，达到100%的亮度。控制方式: 当行驶由单片机pwm控制，得到3050%亮度:当刹车时汽车由单片机输出完全的低电平，得到100的亮度。5.3 基于led刹车灯的总体框图设计本次设计需完成将一个将12v汽车蓄电池电压（本课题中用6v碱性电池模拟）提升到34v以上，驱动3路各20只串联的红绿蓝led彩灯发光的电路设计。硬件电路主要由单片机控制

49、电路，升压电路，驱动电路和发光二极管电路组成。图5-1所示为系统硬件结构原理图。图5-1 电路硬件框图led车灯的放置遵循由内到外摆成3圈，这样亮度较高，以此警示后面的司机注意刹车。其led车灯放置如图5-2所示。图5-2 led摆放图5.4 基于led刹车灯的升压电路设计5.4.1 升压电路设计升压电路由mc34063组成，可将外接电源进行升压，满足led发光需求，并输出。该电路主要由二极管、电阻、电感、电容构成。升压电路的设计是此次设计的重要部分。小型车用电源是直流12v，无法驱动一路串联的20只发光二极管发光，每个红色发光二极管的驱动电压为1.7v，一路20个串联的发光二极管一共需要34

50、v电压来驱动，所以要对车用直流12v电源电压进行升压，使其达到直流34v来满足驱动电路中led发光二极管的要求。如果采用白色高亮度发光二极管，每只驱动电压约为3.4v，一路10个串联的发光二极管，也需要34v电压来驱动。升压电路的设计就是将电池提供的较低的直流电压，提升到需要的电压值。初次设计是尝试利用高频振荡器产生震荡脉冲，然后利用脉冲变压器升压到预定电压值，最后由脉冲整流二极管整流，获得较高电压的直流电。考虑到需要变压器等体积较大的元器件，所以最后在升压电路这块，选择用升压电感来完成。参考了市场上的常用升压芯片，考虑到性能稳定性，价格等各项因素，我们最终选择了stm公司的mc34063直流

51、-直流升压芯片。mc34063是一个低价位高性能的直流到直流交换式转换芯片。除了稳压、降压、升压，甚至还可以转成负向电压。虽然它的效率还不算很高（90%左右），但电路简单、成本低廉、温升低，所以被广泛应用在许多升压电路的应用中。5.4.2升压芯片mc34063简介（1）mc34063 电路原理振荡器通过恒流源，对外接在ct管脚（3 脚）上的定时电容不断地充电和放电以产生振荡波形。充电和放电电流都是恒定的，振荡频率仅取决于外接定时电容的容量。与门的c输入端在振荡器对外充电时为高电平，d 输入端在比较器的输入电平低于阈值电平时为高电平。当c 和d输入端都变成高电平时触发器被置为高电平，输出开关管导

52、通;反之当振荡器在放电期间，c 输入端为低电平，触发器被复位，使得输出开关管处于关闭状态。电流限制通过检测连接在vcc和5 脚之间电阻上的压降来完成功能。当检测到电阻上的电压降接近超过300 mv 时，电流限制电路开始工作，这时通过ct 管脚（3 脚） 对定时电容进行快速充电以减少充电时间和输出开关管的导通时间，结果是使得输出开关管的关闭时间延长。电源管理mc34063广泛应用于dc/dc的电源转换电路中，通用、廉价、电路形式灵活。极性反转效率最高，升压效率最高，降压效率最高，变换效率和工作频率滤波电容等成正比。若mc34063输出功率达不到要求的时候，比如大于250ma时，可以通过外接功率扩

53、展管的方法来扩大输出电流，双极型或mos型扩流管均可，计算公式和其他参数及其含义详见以下介绍外围元件标称含义和它们取值的计算公式：vout（输出电压）1.25v（r2r1） （5-1）ct（定时电容）：决定内部工作频率。ct=0.000 004*ton（工作频率） （5-2）ipk=2*iomax*ton/toff （5-3）rsc（限流电阻）：决定输出电流。rsc0.33ipk （5-4）lmin（电感）：lmin（vimin-vces）*ton/ ipk （5-5）co（滤波电容）：决定输出电压波纹系数，coioton/vp-p（波纹系数） （5-6）固定值参数：vces=1.0v （5-

54、7）ton/toff=（vo+vfvimin）/（viminvces） （5-8）vimin:输入电压稳定时的最小值vf=1.2v，快速开关二极管正向压降（2）mc34063 dc/dc变换器控制电路简介：mc34063是一单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分。片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出1.5a的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。特点：*能在3.040v的输入电压下工作*短路电流限制*低静态电流*输出开关电流可达1.5a（无外接三极管）*输出电压可调*工作振荡频率从100

55、hz到100khz图5-2 mc34063引脚图及原理图5.4.3 升压电路的设计调试我们在最初构建电路时，参考了mc34063芯片的升压输出的公式计算来确定r5以及r5的阻值，经过多次调试后发现输出电压并没有达到预期的计算值，后多次该改变阻值发现仍无法得到预期值。所以将r5的阻值设定为固定值1k，而将r6选定为滑动变阻器，用万用表测量输出的电压，然后调动滑动变阻器，是输出电压逐渐达到34v，这样升压电路就能满足设计的要求。在构建电路时还遇到过将rse原先要接入7号角的线路错接为8号角，使得振荡器无法工作，无法输出升压的电压，输出电压一直维持在10v左右，后检查电路后发现原因，改接线路，使输出

56、电压达到设计要求。图5-3 升压电路设计5.5 基于led刹车灯的驱动电路设计5.5.1 驱动芯片uln2003简介uln2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅npn 达林顿管组成。该电路的特点如下：uln2003 的每一对达林顿都串联一个2.7k 的基极电阻，在5v 的工作电压下它能与ttl 和cmos 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。uln2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500ma，并且能够在关态时承受50v 的电压，满足电路输入为34v电压的要求，输出还可以在高负载电流并行运行。uln2003 采用dip-16 或sop-16 塑料封装。表5-2 极限值 （若无其它规定，tamb=25）参数名称符号数值单位输入电压vin 30 v30v输入电流ii