劉盛德，劉攀，雷旭，黃占君，初翔杰

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

繼LED大燈之后，激光大燈被稱(chēng)為“合理的下一步”，更加節(jié)能、環(huán)保。激光大燈和其它大燈區(qū)別主要是發(fā)光的光源，激光大燈的光源來(lái)自于激光二極管，激光二極管在電子、通訊等很多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，所以技術(shù)也已經(jīng)成熟。激光大燈發(fā)光效率高、能耗低、體積小、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快。加上智能化車(chē)燈系統(tǒng)的應(yīng)用，激光大燈相對(duì)于其它光源大燈，優(yōu)勢(shì)就更加突出。所以智能化的激光大燈，是未來(lái)車(chē)輛照明系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。文章主要通過(guò)對(duì)歐司朗已經(jīng)成熟開(kāi)發(fā)應(yīng)用的激光光源模塊進(jìn)行解析，總結(jié)出關(guān)于一套激光大燈的設(shè)計(jì)規(guī)范。

1 激光大燈發(fā)光原理及簡(jiǎn)介

1.1 激光光源發(fā)光原理

所謂激光光源即激光發(fā)射器，產(chǎn)生激光的必不可少條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和增益大于損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵(lì)源及具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的工作介質(zhì)兩個(gè)部分。激勵(lì)源是工作介質(zhì)吸收外來(lái)能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。激勵(lì)方式有光學(xué)激勵(lì)、電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)和核能激勵(lì)等。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)能級(jí)，能夠使受激輻射占主導(dǎo)地位，從而實(shí)現(xiàn)光放大。激光器中常見(jiàn)的組成部分還有諧振腔，但諧振腔（見(jiàn)光學(xué)諧振腔）并非必不可少的組成部分，諧振腔可使腔內(nèi)的光子有一致的頻率、相位和運(yùn)行方向，從而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地縮短工作物質(zhì)長(zhǎng)度，還能通過(guò)改變諧振腔長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)所產(chǎn)生激光的模式（即選模），所以一般激光器都具有諧振腔。

圖1 激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖

激光大燈中所用的激光發(fā)射器為半導(dǎo)體激光器，統(tǒng)稱(chēng)為激光二極管。激光二極管具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作簡(jiǎn)單、成本低、易于大量生產(chǎn)、使用壽命長(zhǎng)等突出特點(diǎn)，較適合應(yīng)用于前照燈照明。

1.2 激光光源模塊簡(jiǎn)介

目前，歐司朗已開(kāi)發(fā)出應(yīng)用于前大燈的激光光源模塊，該模塊可直接發(fā)出白光，原理如下：激光二極管發(fā)射出波長(zhǎng)為450nm的藍(lán)色激光光束，激光光束透過(guò)激光反射鏡聚焦到黃色熒光粉，部分藍(lán)光轉(zhuǎn)化為黃光，部分藍(lán)光直接通過(guò)，藍(lán)光與黃光混合變?yōu)榘坠?，如下圖所示。

圖2 激光光源模塊發(fā)光原理

光源模塊具體參數(shù)及結(jié)構(gòu)如下：

表1 光源模塊參數(shù)

2 設(shè)計(jì)規(guī)范

2.1 設(shè)計(jì)原則及基本要求

2.1.1 激光光源僅作為輔助遠(yuǎn)光進(jìn)行開(kāi)發(fā)

2.1.2 驅(qū)動(dòng)模塊EMC性能滿足《GB 34660-2017 道路車(chē)輛

電磁兼容性要求和試驗(yàn)方法》中的要求，電路須有防EMC設(shè)計(jì)；

2.1.3 滿足《GB/T 10485-2007 汽車(chē)和掛車(chē)外部照明和信號(hào)裝置基本環(huán)境試驗(yàn)》的要求。

2.2 電路設(shè)計(jì)

2.2.1 電路形式選擇

歐司朗激光模塊驅(qū)動(dòng)電流典型值為 1.1A，功率在 1.6W左右，激光光源與LED燈類(lèi)似，屬于電流性光源，需采用電氣效率較高的的IC恒流控制電路。

由于采用一個(gè)激光模塊即可滿足遠(yuǎn)光輔助照明亮度要求，根據(jù)激光器的電壓（1.5V左右），IC恒流控制電路采用降壓式電路即可滿足要求。

2.2.2 IC芯片選擇、電路及計(jì)算

（1）IC芯片選擇

文章中選擇的芯片為 TLD5097，該芯片對(duì)于升壓、降壓電路均適用。

（2）IC芯片電路

TLD5097芯片內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如下：

圖3 TLD5097內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)

TLD5097芯片升降壓電路運(yùn)用典型例如下圖所示：

圖4 TLD5097降壓電路運(yùn)用

2.2.3 EMC防護(hù)設(shè)計(jì)

輸入端的EMC防護(hù)設(shè)計(jì)包括：大電壓防護(hù)、共模/差模噪聲濾波、高頻噪聲濾波、低頻噪聲濾波。

圖5 輸入端EMC防護(hù)電路示意圖

如上圖所示，TVS1為防雷管，主要作用是保護(hù)后級(jí)防浪涌脈沖的損壞，C1為濾波作用，D1為整流二極管，防反接作用，C2、C3、L1、C4、C5組成一個(gè)LC-Л濾波電路，主要是改善EMC電路。

輸出端的EMC防護(hù)設(shè)計(jì)包括：輸出典型整流、濾波，通常由一個(gè)LC-Л濾波電路構(gòu)成，如下圖中L3、C11、C12、C13所示：

圖6 輸出端EMC防護(hù)電路示意圖

2.3 散熱設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體激光二極管由于高功效，散熱性能較LED二極管散熱性能好，且歐司朗激光模塊中的半導(dǎo)體激光二極管采用緊湊型的 T056封裝，散熱性能得到提高。另外，激光模塊外表面采用鋁制外殼，使得半導(dǎo)體激光二極管得到更高效的散熱性能，歐司朗激光模塊不需要增加額外的散熱結(jié)構(gòu)即可滿足激光二極管的散熱要求。

圖7 歐司朗激光模塊散熱示意圖

2.4 配光設(shè)計(jì)

激光大燈定向性強(qiáng)、發(fā)散度低，基于這一特性，激光一般應(yīng)用于遠(yuǎn)光輔助功能，對(duì)于燈光基本要求為：照射角度小，亮度大，照射距離大。具體路面照明效果要求如下：

表2 激光大燈路面照明效果要求

3 結(jié)論

文章闡述了汽車(chē)激光前大燈的設(shè)計(jì)規(guī)范，主要針對(duì)光源選擇、功能設(shè)計(jì)、光源參數(shù)設(shè)定、電路原理、散熱分析、路照效果等方面進(jìn)行了全面、完整的方案說(shuō)明。文章闡述的方案可以有效應(yīng)用于汽車(chē)激光前大燈的設(shè)計(jì)，為汽車(chē)激光前大燈的設(shè)計(jì)提供了一種設(shè)計(jì)思路。