小型探照灯设计

小型探照灯设计（共3篇）

小型探照灯设计 篇1

1概述

机车前照灯一般安装于机车前部司机室上方的机车中心线上, 是机车夜间照明和具有警示功用的灯具。按照光源性质分, 可分为卤钨光源前照灯、气体放电光源前照灯 (包括氙气灯前照灯、金卤灯前照灯) 和封闭式光源前照灯 (如LED型前照灯) ;按机车用途分, 可分为干线机车前照灯、调车机车前照灯和动车组前照灯。本文主要针对干线电力机车用前照灯存在光强度不足、冷光源在高寒环境下引起前照灯玻璃结霜等失效或故障进行了分析, 并提出了新的处理措施和优化设计, 经实际应用后证明效果良好。

2前照灯的使用环境技术参数

2.1 前照灯的使用环境

依据《TB/T 2325.1-2006 机车、动车组前照灯、辅助照明灯和标志灯技术条件.第1部分:前照灯》中第5.1项要求, 前照灯的使用环境条件是:

①环境温度:-40 ℃～70 ℃;

②相对湿度:不大于95% (25 ℃) ;

③海拔高度:不大于3 000 m;

④其他要求:见TB/T1333.1的规定。

2.2 前照灯的电气参数

前照灯的电气性能要求主要有供电电源类型和绝缘性能等方面。前照灯的供电电源应能保证可靠点灯并保持稳定工作, 因此多采用直流恒压源形式, 常用的电压等级和电压波动范围如表1所示:

前照灯的绝缘性能应满足TB/T1333.1的规定, 在正常气候条件下, 其带电部件与金属外壳件的绝缘电阻不应低于10 MΩ;经过湿热试验后, 其绝缘电阻不应低于2 MΩ;同时, 在介电强度试验中, 承受1 000 V (50 Hz) 正弦交流电压历时1 min, 无击穿或闪络现象。

对气体放电光源, 其电气方面还需要启动装置, 主要包括启动性能、触发次数、稳弧功能、绝缘性能和电源接反保护性能等方面。

前照灯的电气连接简图如图1所示。

2.3 前照灯的光学参数

前照灯的光学性能主要体现在光强度和照射距离两个方面。

前照灯的光强度可用光照度分布测试仪或用光照度计进行测量。采用光强度分布测试仪可直接测量出光强度分布曲线;采用光照度计测量中, 需测试与光轴成不同角度处的光照度, 并测量发光面与照度计探头间的距离, 然后用公式 (1) 计算发光强度:

I=E×S2 (1)

式中:I——发光强度, 单位为坎[德拉] (cd) ;

E——光照度, 单位为勒[克斯] (lx) ;

S——发光面至照度计探头的距离, 单位为米 (m) ;

前照灯的照射距离通常采用目视法测试。针对不同光源的前照灯, 在预先标记的距离位置穿白色衣服的被观测者或边长0.6 m的正方形白色标志板左右移动, 由近至远进行试验, 以能观测到被观测者或标志板存在的最大距离 (m) 即为被测试前照灯的照射距离。

2.4 前照灯的其他参数

前照灯的其他性能要求主要包括结构与外观要求、耐振动与抗冲击能力、电气连接与载流部件、前照灯光源与寿命、电磁兼容性要求、前照灯配件 (反光镜、灯罩和灯箱等) 性能要求、光源显色指数等方面。

3前照灯故障或失效及分析

3.1 光强度不足及分析

干线电力机车常用的前照灯光源有卤素灯和氙气灯, 多采用双灯结构和强、弱光两种模式。双灯结构的类型有双卤素灯结构、单卤素灯加单氙灯结构和双氙灯结构三种模式。

当前, 前照灯的光源选用DC24 V-70 W卤素灯和DC24 V-35 W的氙气灯, 三种类型的灯具光强度如表2所示。

注:卤素灯 (70 W) 的光照强度为0.2×106cd;氙气灯 (35 W) 的光照强度为0.8×106cd。

依据TB/T 2325-2006《机车、动车组前照灯、辅助照明灯和标志灯技术条件》6.3条的光强度要求干线电力机车卤钨光源光强度≥9×105 cd (照射参考距离600 m) 、气体放电光源 (氙气灯) 光强度≥20×105 cd (照射参考距离800 m) 。由此可见, 采用双卤素灯 (70 W) 和双氙气灯 (35 W) 结构的前照灯光照度均不能满足标准要求, 而采用单卤素灯 (70 W) 和单氙气灯 (35 W) 结构的前照灯也仅满足卤钨灯光源标准要求, 因此, 当前机车前照灯的缺陷主要表现为光强度不足。

3.2 前照灯玻璃结霜及分析

随着电力机车应用范围和运行区域的扩大, 越来越多的电力机车进入高寒地区运行。机车在高寒地区运行过程中, 特别是1、2月份, 前照灯玻璃易产生结霜现象, 严重影响前照灯照度。

前照灯玻璃结霜, 原因大致有两种:①机车前照灯功率较小 (为2×50 W) , 在前照灯点亮后, 发热量不够, 不能使前照灯玻璃保持足够的温升而导致玻璃结霜;②在高寒气候环境下, 由于材料的低温收缩致使前照灯维修盖板产生变形, 导致密封不严, 水汽进入并在前照灯玻璃上凝结成霜。

4处理措施及设计优化

4.1 光强度不足的处理措施

针对前照灯光强度不足的问题, 首先可选用功率较大的灯。光源灯的功率越大, 其发出的光通量越大, 在相同的距离内, 光照度也越大。但是卤素灯是热辐射光源, 所选功率越大, 发热越大, 对灯寿命的影响越大。为避免此类问题, 可采用增加氙气灯功率的方式, 当前已有机车前照灯采用2×50 W的氙气灯灯泡的结构, 该型前照灯的光照度大于20×105 cd, 满足标准要求, 同时对该型前照灯的电路进行滤波设计, 降低其电源电路对机车信号的影响;其次, 当前机车前照灯的DC 24 V电源容量偏小, 不能满足高寒环境 (-50 ℃) 的使用条件, 可通过增大电源容量的方式来提高前照灯的电气可靠性, 例如采用DC 110 V、200 W的电源;另外, 机车前照灯光源可以选取金卤灯、LED型等新型光源。

4.2 前照灯玻璃结霜的优化设计

解决前照灯玻璃结霜问题最直接的思路可以将前照灯玻璃改为加热玻璃。但由于制造加热玻璃需要重新开模, 周期长、成本高, 并且加热玻璃中的电阻丝经头大灯照射后会产生阴影, 将对视线造成影响, 不利于机车运行安全, 此方案不可行。第二种方案为, 在前照灯玻璃表面加贴加热膜, 由于目前市场上现有的加热膜透光度比较低, 且功率比较小, 此方案很难防止结霜, 并且降低了前照灯的光强度, 也不可行。第三种方案为在前照灯玻璃罩内加装加热器, 此方案不仅不会影响车灯的光强度, 而且可以根据结霜程度的不同来调节加热器功率。考虑到前照灯玻璃罩内空间限制以及避免对灯具光线的影响, 加热器的尺寸不宜过大, 应选取适当的尺寸。

经计算, 加装加热器的前照灯应该能使玻璃罩内外温差在30 min之内达到50 K。试验数据表明:在30 min之内玻璃罩内外温差为52℃左右, 满足了玻璃罩内外温差在30 min之内达到50 K的要求, 能防止结霜现象。优化设计效果良好。具体温升曲线见图2。

5结语

本文对电力机车前照灯的应用环境、基本性能参数等作了简要的介绍, 主要是针对前照灯照度不足和前照灯玻璃在高寒地区结霜现象作了分析, 并提出了解决措施和优化设计方案。随着新技术的不断发展, 新型前照灯的研制, 使照度不足问题将会有更多的解决方法。此外, 对于前照灯玻璃结霜现象的优化设计在机车的实际运用中能有效地防止结霜的产生。

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小型探照灯设计 篇2

近年,随着立体交通、城镇高速以及汽车制造业的快速发展,道路上的汽车数量和汽车的行驶速度都在不断提高。出于对行车安全因素的考虑,对前照灯配光性能的检测越来越受到汽车电子行业的重视,国家也制定了相关的检测标准。前照灯的检测项目主要包括光照度、光轴方向以及光形检测。如何才能精确、快速、高效的得到检测结果进而为汽车的安全性能提供一定的保证已经成为相关技术行业研究的重要课题。

目前,前照灯配光性能的检测方法主要有三类,一类是人工逐点、逐区测试法。此类方法主要由操作工手动测量特定点以及特定区域。由于存在精度低与实时性差的缺点,这种方法是不可取的。另一种方法是灯具旋转法。该方法主要通过两个旋转轴的协调来实现对屏幕上每点的扫描,接着由放置在配光屏HV点处的光探测器进行数据的测量。灯具旋转法的优点是只用一只光探测器在一点上测试可以很好的消除杂散光的影响且精度很高;缺点是所需空间较大,灯具的不断旋转只能保证测试点位于不同的弧线上,并不一定在同一角度的直线上,进而需要复杂的位置校正。而且采用逐点扫描,对于整个屏幕来说所用时间相对较多、速度相对较慢。还有一种方法为全屏幕摄像测试法。这种方法是基于CCD图像传感技术,将采集到的前照灯在25 m外测量屏幕上的照度分布数据通过图像采集卡送入计算机,通过相应的图像处理技术来实现对配光性能的检测。该方法的优点是测量时间较短,能够取得完整的光强分布数据,相对灯具旋转法测量精度、实时性与自动化水平更高。但是缺点是此种方法占地面积大,且光轴与HV点的对正问题会给数据的测量精度带来一定的影响。

本文在研究全屏幕摄像测试法的基础上进行改进,在车灯前150 mm处加入透镜,同时将接收屏幕放置于透镜的焦距处。从物理光学的角度分析,由于透镜系统具有良好的聚光性以及较高的光学效率,整个系统的占地面积被大大缩小,同时也能够真实准确的反应汽车前照灯的照度分布特性。我们通过找到配光屏实际坐标系与前照灯照度分布之间对应的关系,由光学仿真软件LightTools进行整个系统建模来验证设计的正确性,实验结果表明此项改进方法在配光性能检测方面具有非常高的检测精度和检测速度,实用性较强。

1 系统结构设计

本文旨在全屏幕摄像测试法基础上进行改进来达到更好的检测效果。全屏幕摄像测试法的结构图如图1。具体改进的设计步骤如下:

方案1:我们将一个300 mm×400 mm矩形菲涅尔透镜放在前照灯前方L1=150 mm处,透镜的焦距等于600 mm。在透镜的上方放置CCD图像采集设备,在前照灯前方L2=750 mm处,也就是透镜的焦距处,放置一个800 mm×600 mm的幕布。

方案2:将上述菲涅尔透镜换成一个边缘厚度d=10 mm,中心厚度σ=96.8 mm,焦距f=600 mm,半径R1=R2=605.3 mm,弦长L=450 mm的球透镜。其中,光源距离球透镜第一个主面的距离为150 mm,幕布距离第二个主面的距离为600 mm。具体设计结构如图2所示。

系统工作原理如下:打开前照灯的控制电源,车灯产生的光线通过透镜照射进暗箱。由于150 mm的距离远小于透镜的焦距,光线由此在暗箱的屏幕上聚成一个光斑。我们通过暗箱内的CCD摄像头将所采集到的屏幕图像送入计算机进行相应的算法处理。这里采用视觉子系统的主要原因是其能够快速、实时的对屏幕上前照灯光能分布进行采样、存储以及数据处理,而且CCD像面元素的照度和时间的乘积等于曝光时间t,它可以很好的反映CCD接收到的光信号强度。在低照度下(E<100 lx),CCD的输出电压与照度有良好的线性关系。这样经系统采集卡数字化后的CCD面元信号的数字量(也就是灰度值),便可以与检测幕布上的照度值之间建立对应关系。

2 系统建模

根据光度学原理,我们可以推算得到CCD像点面元轴上点照度与屏幕上光源射入微小面积内的照度之间的对应关系。而且由于CCD输出的脉冲调制信号经过低通滤波后就变成在时间上连续的模拟视频信号,图像采集卡对其进行量化编码,最终得到数字图像。在曝光时间固定的情况下,可以得到图像灰度-屏幕照度对应关系:G=cV=c(a Hγ+b)=c[a(Eit)γ+b]。其中:G是待测点的灰度,c是输出信号电压V与图像灰度G的比例系数(c不是一个固定系数,主要由系统参数决定),b是当底片上单位面积在t时间内接收到的曝光量H=0时CCD输出的暗电压,Ei是待测点在CCD上对应的像点的点照度,a是CCD的光响应度,γ是光电转换系数。由以上关系式我们可以利用LightTools来对系统进行建模。建模主要分为光源坐标系统的建立、菲涅尔透镜和球透镜建模、接受屏建模和测试光源建模。本系统中把前照灯光源作为光线追迹的起始点,光源沿Z轴放置,照射方向沿Z轴正向,灯丝中心为坐标原点,长度单位:mm;照度单位:lx,原理图如图3和图4所示,其中透镜L(L′)的光轴位于Z轴上面,透镜面背对光源:

3 系统比对

3.1 菲涅尔透镜照度检测系仿与全屏幕检测系统仿真效果比对

为了验证本系统设计结构的有效性以及精确性,我们分别通过研究这两种透镜对前照灯照度分布的影响以及透镜的光学效率和光能损失等光学特性,由光学软件LightTools进行了整个系统的测试仿真。

试验过程包括:1)分析透镜的照度检测系统的具体照度测试情况以及光斑的变化情况;2)在相同比例的坐标点上,照度值的变化情况以及照度最大值点的位置坐标改变等。

图5∼7为菲涅尔照度检测系统、全屏幕照度检测系统与真实车灯光照系统的照度分布检测比对效果图。虽然菲涅尔透镜的光学效率较高,前照灯照射在上面的光能损失较小,但我们可以从LightTools仿真的照度效果图上很容易看出,菲涅尔透镜的设计结构对光能的分布造成了较大的影响。

各仿真模型在X轴和Y上的照度数据如图8所示。图8分别显示了全屏幕照度检测系统和菲涅尔透镜照度检测系统在LightTools上设定仿真光线为60万根时,分别在X轴和Y轴上的照度数据比对。由于透镜的聚光特性,上述仿真系统图的坐标轴是通过对应坐标一定的拉伸比得到的。假设25 m全屏幕照度测试系统照度接收屏上的坐标为X和Y,菲涅尔透镜检测系统坐标为X′和Y′。则对应的关系表达式可以表述为:X′=8.58X,Y′=7.71Y。通过在Matlab上进行的逐行高斯曲线拟合,我们可以计算得出菲涅尔透镜照度系统到全屏幕照度系统的平均反演误差达到了60.01%,这在工业上是不允许的。

3.2 球透镜照度检测系仿与菲涅尔透镜检测系统仿真效果比对

为了解决上述菲涅尔透镜对车灯光照能量分布所造成的较大影响,我们设计了球透镜照度检测系统模型,照度分布效果图如9所示。根据光学研究,我们知道球透镜也具有非常高的光学效率,由此前照灯照射在透镜上也损失较少的能量。从LightTools仿真的照度效果图9我们可以很清楚的看出,球透镜的照度仿真效果与前照灯真实的照度分布图形非常接近。与菲涅尔透镜系统的研究方法相同,首先选择球透镜照度分布图上的特定区域,将其各个坐标点上的照度值反演到25 m测试屏上相应坐标区内。在图8中X轴和Y检测系统仿真模型上,X轴和Y轴上的照度数据小如图10、如图11所示。

从图10∼11中我们可以看出,球透镜测试系统很好的再现了全屏幕的照度曲线,尤其是两个峰值的再现程度非常明显,这一点是明显优于菲涅尔透镜的。

根据上述菲涅尔透镜系统比对条件,我们假设25 m全屏幕照度测试系统照度接收屏上的坐标为X和Y,球透镜对应的坐标为X″和Y″。则球透镜对应的坐标表达式为:X″=0.175X,Y″=0.097Y。根据各坐标轴照度曲线图可知,球透镜相对于菲涅尔透镜在全屏幕照度测试改进系统中的运用有更高的精度。通过在Matlab上进行的逐行高斯曲线拟合,球透镜照度检测系统的平均反演误差只有4.75%。对于球透镜来说,无论从光斑形状还是照度分布情况上来看,都能够较好的反应25 m全屏幕照度检测系统的照度分布图。因此,球透镜作为汽车前照灯照度分布CCD检测系统的透镜系统,其照度检测效果是比较理想的。

4 系统验证

通过对球透镜照度检测系统的研究分析,我们得出该系统相对全屏幕测试系统的优越性。现在我们就来对系统的可行性进行实验验证。图12为GB 4599—94汽车前照灯配光性能国家标准光照分布图。GB4599—94标准中规定,前照灯的配光要求其近光有足够的照明和不炫目,远光具有良好的照明。图中HV为过灯具基准中心的水平线与配光屏幕的垂足。

本次系统照度检测验证主要基于对近光区域照度的测量验证,采用白炽灯前照灯作为光源。根据图2的系统改进设计,我们通过试验验证得到真实数据与测量数据之间的比对,如表1所示。

我们通过高精度照度计分点、分区域测量出待测前照灯的真实光照数值,在通过由球透镜和CCD组建的光照检测系统对前照灯近光进行照度检测。从表格数据可以看出,通过真实值与测量数据的比较,采用球透镜改进后的前照灯近光照度检测系统具有非常高的精度,平均误差不超过7.5%,完全符合GB4599—94汽车前照灯配光性能国家标准检测要求,具有很强的实用性和创新性。

5 结论

在通过对全屏幕摄像测试法的改进以及运用不同透镜对测量照度的影响分析基础上,本文利用照明光学系统仿真软件LightTools建立前照灯照度分布CCD检测系统模型。分别研究了采用菲涅尔透镜和球透镜的照度分布测试效果。作为评价标准,在认真研究汽车前照灯配光性能国家标准的基础上建立了25 m全屏幕照度分布检测系统的仿真模型。并且通过Matlab仿真软件研究了两种透镜系统照度检测结果反演到25 m全屏幕照度检测照度值的反演误差。在一定精度范围内认为菲涅尔透镜不能很好的反映国家标准中照度分布情况的测量,但球透镜的照度检测结果比较理想。根据光学理论,光在球透镜系统中传播时,一定会发生能量的损失。这些损失方式包括:光在折射面上的反射损失、穿过介质时的吸收损失以及介质透射损失。另外,球透镜在加工过程中产生的内部气泡、杂质和局部的浑浊物都将导致光的散射;球透镜表面粗糙不平还会带来光的漫反射与漫折射。但根据理论分析和计算,这些光能损失在对前照灯的照度检测不会带来较大的影响。此外,根据光学成像规律,球透镜照度检测系统还解决了占地面积过大、测量精度不够的问题。利用CCD的空间采样特性,将照射在测试屏幕上的照度图像通过图像采集卡对其进行量化,将各像元的数字量反演成各点的照度值,提高了系统的实时性,节约了人工成本。

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小型探照灯设计 篇3

有统计表明,90% 的交通事故是由于人的因素造成的,危险来源于复杂的交通状况,包括不合理信息、缺少信息以及过度紧张等[1,2]。为了有效地减少盲区,避免眩光,提高夜间行车的安全性,一些著名汽车公司提出了先进前照灯系统或自适应前照系统(AFS)的概念[3],其特点是车辆前灯能主动调整照明光轴方向,自动适应夜间行车环境(包括迎面车辆、弯道坡度、高速公路、城市街区等情况)的变化[4,5,6]。近年来,高亮度LED的发展很快,汽车前照系统中采用高亮度或超高亮度LED将是一种发展趋势。目前,已有1 201 m超高亮度LED的报道,8个超高亮度LED就能产生10 001 m的光强。LED光源除了显而易见的寿命长,结构坚固,功耗低等优点外,其固有的体积小,设计更灵便,反应快,控制更容易等特点,使它在汽车自适应前照系统中的应用有较大的潜在优势[7]。

汽车电气是酸铅蓄电池供电的,典型值为12 V,但实际电压在12 V左右不断变化。如何利用电压值低且不断变化的汽车电源设计一种电流精度高,亮度可调,低功耗的驱动电路是制造LED汽车前照灯的关键技术。本文在输入电压为汽车电源电压,负载采用8 颗700 mA大功率白光LED的条件下设计一种基于LTC3783芯片PWM控制LED亮度的恒流LED 汽车前照灯驱动电路,输出电流稳定、精度高、电路转换效率高。

1 LED发光特性及驱动类型的选择

1.1 LED发光特性

由于LED本质上就是能发光的二极管,只不过门槛电压和导通压降要更大,它的动态阻抗相对较小,较小的电压变化就能导致较大的电流变化,其工作电流与导通压降呈指数式的变化规律,如下式所示:

${\rm I}{}_{\text{f}}={\rm I}{}_{\text{s}}(\text{e}{}^{\frac{qU{}_{\text{f}}}{{\rm K}{\rm T}}}-1)(1)$

式中:Is为反向饱和电流;If为正向工作电流,指LED正常发光时的正向电流值。

LED是电流型器件,发光亮度与工作电流有关,L=KImf。其中:m近似等于1;K为比例系数。当电流增大时,发光亮度呈正比增大。为保持同等的光输出,LED驱动电源应该控制通过LED的电流大小不变,即用恒流源驱动LED。

该设计中的负载采用8个Luxeon公司型号为LXML-PWC1-0120的LED串联。LED规格参数如表1所示。

1.2 驱动类型的选择

1.2.1 驱动方式

LED驱动方式可分为恒压源驱动和恒流源驱动。恒压源驱动的负载一般采用LED多支路并联,每个支路都要串连一个有一定阻值的镇流电阻,要求高电流输出时,电路的转化效率较低。由于LED是电流型器件[8],即使电压发生微小的变化也可引起电流的大幅度变动,恒压源驱动将影响到LED的发光质量和稳定性;恒流源驱动能控制输出电流稳定,LED发光质量好,一般采用串联连接,只有一个小阻值的检测电阻,效率相对较高,适用于汽车前照灯LED驱动上。恒流源串联驱动时,一般每个LED并联一个稳压管,防止某个LED烧坏导致整个电路开路。

1.2.2 拓扑结构

LED驱动电路可分为线性稳压器电路和开关型变换器电路[9]。线性稳压驱动电路虽然比较简单,但是在芯片和限流电阻上的功耗比较大,效率非常低。开关型变换器驱动又分为电荷泵驱动和电感式驱动。电荷泵驱动器是利用电容将电流从输入端传到输出端,整个方案不需要电感,具有体积小,设计简单的优点,但它只能提供有限的输出电压范围,不适用于多个大功率LED串联。所以设计中采用了电感式升压驱动。在图1电路中,当MOSFET 管M1导通时,电感电流增加,开始储能,LED 开始发光,续流二极管由于承受反向电压关闭。当MOSFET 管M1关断时,电感电流减少,开始释放能量,通过肖特基二极管续流。

1.2.3 调光方式

在汽车前照灯系统中,通过控制LED的亮度可以实现近光和远光的转换,而在自适应前照灯系统中调节LED亮度配合LED阵列不同位置LED的亮灭可实现照射光束不同的照明距离和偏转角度,适应不同的路况信息。当输入电压值有波动时,LED的电流也随着波动,通过电流反馈,可以进行调光控制保证流过LED的电流不变。另外LED亮度调节还可以应用在热调节电路上,代替传统的体积大的散热片装置[10]。能够准确,高效地实现LED调光也是驱动电路考虑的重要因素之一。

通常情况下,可采用外部SET电阻、线性调节和PWM调节等技术来控制LED的亮度。在LED驱动器外部使用SET电阻的方式缺乏灵活性,无法进行动态调节。线性调节可动态控制LED的亮度,但会降低LED的效率,并引起白光LED朝向黄色光谱的色彩偏移。相比较而言,PWM调节技术的优势十分明显,当PWM脉冲为有效高电平或低电平时, LED输入电流分别为最大或0,其导通时间受控于PWM引脚输入脉冲的占空比。由于LED始终工作于相同的电流条件下,通过施加一个PWM信号来控制LED亮度的做法,可以在不改变颜色的情况下实现对LED亮度的动态调节。

为保证PWM调光不被人眼察觉,PWM调光频率一般要大于100 Hz,但过高的频率会增加MOSFET的动态损耗。该设计中取PWM调光频率为120 Hz。

1.2.4 设计规格

表2所示为本文LED恒流驱动电路的设计规格。

2 驱动主电路设计

2.1 电路组成

该电路主要由LTC3783,MOSFET管M1、M2,电感L1,续流二极管D9,检测电阻R9,输出电容C4大功率LED串组成的升压型电感式电流控制模式驱动电路。主电路如图2所示,LTC3783是凌特公司推出的电流模式多拓扑转换器PWM调光范围的大功率LED驱动器,应用范围包括电信、汽车和工业控制系统中的高压LED阵列、背光照明以及稳压器。

通过改变芯片FREQ引脚外接电阻的大小来决定芯片的高频控制信号频率f,GATE引脚输出一个峰值为7 V的脉冲信号,它是PWMIN引脚接收的PWM控制脉冲和芯片LTC3783高频控制输出脉冲的与。GATE引脚驱动MOSFET管M1,控制功率MOSFET管M1的通断,引起流过电感L1电流的变化,产生一个压降,它与输入电压的和为输出电压。PWMOUT引脚输出一个与PWMIN引脚相同的PWM控制脉冲信号,驱动MOSFET管M2,PWM脉冲的占空比决定LED串电流的占空比,进而控制LED串的亮度。FBN引脚接受检测电阻R9反馈的电压信号,当输出电流因输入电压发生变化时,调整电路占空比,保持输出电流恒定。

2.2 主要参数的计算

2.2.1 开关频率f的选取

PWM控制脉冲信号与芯片高频开关控制信号如图3所示,可以看出两者有如下关系:

$f>\frac{{\rm N}f{}_{\text{Ρ}\text{W}\text{Μ}}}{D{}_{\text{Ρ}\text{W}\text{Μ}}}(2)$

采用PWM控制LED亮度时,一般为了避免让人觉察,控制脉冲的频率选择fPWM=120 Hz。每个控制脉冲高电平至少要包含2个芯片高频开关脉冲,即N>2。为了达到数字化实现DPWM为1∶3 000的调光比,选择芯片频率f为1 MHz。而芯片开关频率是由连接在芯片FREQ上的电阻R2决定的。f与R2的关系如图4所示,该设计中选择R2=6 kΩ。

2.2.2 计算电路占空比D

电路最大占空比计算公式为:

$D{}_{\text{Μ}\text{A}\text{X}}=\frac{V{}_{\text{Ο}\text{U}\text{Τ}}+V{}_{\text{D}}-V{}_{\text{Ι}\text{Ν}(\text{Μ}\text{Ι}\text{Ν})}}{V{}_{\text{Ο}\text{U}\text{Τ}}+V{}_{\text{D}}}(3)$

式中:VOUT为输出电压;VIN(MIN)为最小输入电压;VD为二极管D4的正向压降V。最小输入电压为10 V,输出电压为28.6 V,二极管正向压降为0.4 V,由式(3)计算得到最大占空比为59%。LTC3783允许的最大占空比可以达到90%。

2.2.3 计算最大输入电流

计算最大输入电流的目的是为了计算其他元件的额定值,输入电流计算公式为:

${\rm I}{}_{\text{Ι}\text{Ν}(\text{Μ}\text{A}\text{X})}=(1+\chi /2)\frac{{\rm I}{}_{\text{Ο}\text{U}\text{Τ}}}{1-D{}_{\text{Μ}\text{A}\text{X}}}(4)$

式中:χ/2表示纹波电流与平均电流的比值。这里取χ=Iout×20%=700 mA;DMAX为59%;算得最大输入电流为1.8 A。

2.2.4 输入电感L1的计算

经过电感L1的纹波电流为:

$\Delta {}_{{\rm I}L}=\chi \frac{{\rm I}{}_{\text{Ο}\text{U}\text{Τ}}}{1-D{}_{\text{Μ}\text{A}\text{X}}}(5)$

计算得出ΔIL=0.5 A,所以电感L1的值为:

$L=\frac{V{}_{\text{Ι}\text{Ν}(\text{Μ}\text{Ι}\text{Ν})}}{\Delta {}_{{\rm I}L}f}D{}_{\text{Μ}\text{A}\text{X}}(6)$

算得L=12 μH。

2.2.5 输出电容C4的计算

输出电容主要是减少输出电流的纹波。LED上流过电流的纹波对LED的光效和光衰有重要影响,在一定的平均电流下,纹波越大,则有效值越大,转化成的热量越多,光效越低,光衰越厉害,寿命越短。所以对LED来说,较好的驱动电流是纹波很小的直流电流。

假设纹波电压不超过输出电压的1%,有:

$C{}_{\text{Ο}\text{U}\text{Τ}}>\frac{{\rm I}{}_{\text{Ο}\text{U}\text{Τ}(\text{Μ}\text{A}\text{X})}}{0.01V{}_{\text{Ο}\text{U}\text{Τ}}f}(7)$

电容越大纹波电流越小,考虑成本因素,取式(7)计算得到的输出电容最小值为5 μF。为防止产生过多的热量,输出电容应选取低ESR值,高耐压的陶瓷电容。

3 MOSFET管、续流二极管的选取

MOSFET管漏端电压为输出电压等于28.6 V,假设用高于额定电压的30%来计算漏极峰值电压,那么MOSFET管漏极的最大电压为38 V。流过MOSFET管M1的最大电流IIN(MAX)为1.8 A,M2的最大电流为700 mA左右,一般选取实际电流的3倍为MOSFET管的额定电流。所以选取耐压值为60 V,最大正向电流为7.5 A,内阻为11 mΩ的N沟道MOSFET管,型号为SI4470EY。

D9的电压与MOSFET管M1的电压相同,最大电压为38 V,流过D9的电流等于负载输出电流700 mA,所以选择耐压值为40 V,最大正向电流为1.16 A的肖特基二极管,型号为ZETEX ZLLS1000。

4 仿真结果

用LTspiceIV软件对电路进行仿真。图5是输入电压分别为10 V,12 V,14 V,无PWM调光时负载LED随时间变化的输出电流值。图5可以看出,随着输入电压发生变化,电路的占空比发生变化,输出电流基本不变。电流稳定后测得电流在705～715 mA之间变化,即驱动电路输出一个均值为710 mA,有0.7%纹波的电流。电流精度为:

$E=\frac{{\rm I}{}_{\text{Ο}\text{U}\text{Τ}(\text{Μ}\text{A}\text{X})}-{\rm I}{}_{\text{Ρ}}}{{\rm I}{}_{\text{Ρ}}}=\frac{715-700}{700}=2.1\%$

式中IOUT(MAX)为实际输出电流最大值;IP为设定的输出电流。

图6为PWM调光时,PWM波形和MOSFET漏极电压波形图,可以看出功率管MOSFET的输入信号是PWM输出信号和LTC3783高频开关控制输出信号的与,两个信号的占空比都可以调节输出电流的大小。

图7为PWM调光时控制脉冲占空比分别为20%,50%,80%时实际的输出电流。实际输出电流与PWM脉冲的占空比相同,进而实现LED亮度的调节。

为计算电路的转换效率,测得驱动电路的输入电压、输入电流、输出电压和输出电流的值如图8所示。可以看出输入电压VIN为12 V,输入电流IIN为1.86 A,输出电压VOUT为28.6 V,输出电流IOUT为710 mA,因此电路转换效率为:

$\eta =\frac{{\rm P}{}_{\text{Ο}\text{U}\text{Τ}}}{{\rm P}{}_{\text{Ι}\text{Ν}}}=\frac{V{}_{\text{Ο}\text{U}\text{Τ}}{\rm I}{}_{\text{Ο}\text{U}\text{Τ}}}{V{}_{\text{Ι}\text{Ν}}{\rm I}{}_{\text{Ι}\text{Ν}}}=\frac{28.6\times 0.710}{12\times 1.86}=91\%$

5 结 语

本文基于凌特公司的LTC3783芯片,设计了用于汽车前照灯的8个大功率白色LED串驱动电路。仿真结果表明,在输入电压在10～14 V 时,输出电流为一个均值,大小710 mA,有0.7%纹波的电流,电流精度为2.1%,输出电压为28.6 V,输出功率为20 W,电路转换效率为91%。驱动电路同时具有PWM调光的功能,输出一个与PWM信号占空比相同的电流。本文设计的LED驱动电路具有恒流精度高,输出功率大,转换效率高,亮度可调的特点。

摘要：随着大功率LED性价比的提高,输出光流量的增加,使LED应用在汽车前照灯成为可能。在输入电压在10～14 V之间变化,负载采用8颗700 mA大功率白光LED的条件下确定驱动方式、拓扑结构和调光方式,设计一种基于LTC3783芯片PWM控制LED亮度的恒流LED汽车前照灯驱动电路,并用LTspiceIV软件对电路进行了仿真。结果表明,输入电压在10～14 V变化时输出电流为一个710 mA均值,有0.7%纹波的电流,电流精度为2.1%,输出电压为28.6 V,输出功率为20 W,电路转换效率为91%。有PWM信号输入时,电路输出一个与PWM信号相同占空比的电流。通过调节PWM信号的占空比实现LED亮度的控制。

关键词：汽车前照灯,大功率LED,脉宽调制,LTSPice IV

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