汽车灯具散热设计是LED光源与传统光源不同之处的主题之一

 

 

摘要：在着手进行头灯设计前首先要考虑到法规中的有关条款，其中包括对光型亮度、环境测试和亮度衰减的要求。如法规GB4785-2007明确提出：对不属于用灯丝灯泡照明的全部设备，在亮灯1min、30min时发光强度的测量要满足附表最大、最小值要求。其根源在于LED自身特性所决定,LED结温愈高光输出愈低。散热设计是LED光源与传统光源不同之处的主题之一。

 

 

在传统的头灯设计上，灯泡本身的光子释放来自加热钨灯丝，不会因自身发出的热或来自引擎室的高温而影响亮度输出，散热重点落在整个头灯腔体的均温设计而非灯泡的散热，但在头灯材料的选择上则需考虑是否可承受来自灯泡的高温(头灯腔体约承受100℃的温度，雾灯腔内温度可高至300℃)，所以在此选用的材料一般都以耐热材为主。

 

对于LED而言，虽然LED的整体功率较小，辐射热量较灯丝灯泡光源小很多，并且随着LED技术发展现已可实现约50%的功率转换为光，但其余50%的功率则仍会转化成热量。考虑到LED芯片尺寸较小（毫米量级），如果这部分热量积聚在LED内部，LED芯片的热密度会很高，而其光子释放来自于PN接口的能阶跳动，与温度呈现负相关，温度越高则光源输出越弱。这正是大功率LED散热必须解决的关键问题之所在。

 

目前业内使用的LED类型很多，其光学和热学特性差异较大；即使是同品牌、类型相近的LED，其光学和热学特性差异仍然很明显。对于不同类型的LED，考虑到其不同的芯片技术和光学特性，其光衰特性差异很明显，需要在选用LED时重点考虑其本身的特性差异。另外，PCB差异对LED散热设计也有影响。目前常用PCB通常有4种，按材质区分为3类：铝基板线路板MCPCB、FR4板、柔性线路板FPC。线路板设计要综合考虑成本、结构可行性和散热特性，因此需要在结构设计初期提供有一定参考意义的散热要素。其中包括：线路板材料、线路板面积、散热器材料、散热器面积。

 

 

LED热量分析工作的主体是LED，是为了保证LED有稳定的光输出，满足配光特性要求，并且满足PN结结点温度的限制，以满足寿命要求；其间涉及到与它工作相关的PCB和PCB上元器件的热量问题。在LED灯具设计前期，涉及多个部门的工作，配光设计、电子电路设计、热量分析、结构设计，这些部门的工作在前期需要相互协作。

 

当PCB数据，结构数据全部确定之后,LED灯体的电脑辅助评估—CAE将完成。第一，对结构数据,PCB及元器件进行简化预处理，再导入到分析软件中，划分网格并构建数据模型。在进行LED数据转化时，并没有反映出LED内部电路设计，散热设计和封装等方面的区别，而是按照LED的实际形状进行设计，简化为1个方柱或圆柱实体，大小与LED形状尺寸一致。

 

数据模型完成后，需要在分析软件中完成对所有元件赋材料属性、设定边界条件，然后求解稳定状态下的结果；也可进行1min和30min的瞬态结果模拟，通过1min和30min的温度结果，结合LED的光输出—温度特性曲线，了解该光衰下配光能否满足要求。在分析软件中，有对应的PCB和LED等元件的材料属性可供选择，并且有参数可以编辑。对PCB可以编辑电介质层和导电层的材料属性；对LED可以编辑热阻大小，LED内部热设计特性的优劣就体现在该参数上。设定边界条件涉及到元器件的功率大小、环境温度以及边界对流换热系数等参数。在分析软件中的所有设置，需要尽可能地与实际相同，尽可能地降低模拟与实际情况的差异。

 

在现实中,LED所产生的热量是如何散送到外界环境中去，这和其封装结构材料有着密切的关系，这就涉及到所用散热材料及有关外型问题。就目前封装技术而言，最多可以使LED在185°C下运行，但是通常由于封装胶材等原因可以使运行温度达到125°C左右，除光源输出效率外，还需考虑封装胶材质量问题（树脂类材料存在高温老化）。

 

（封装与散热热阻关系）

 

引擎室的温度在灯具附近最高可到85℃，观察相关热阻，R_Junction-Slug、R_Slug-Board都决定于封装体，对设计者而言只能针对R_Board-Ambient努力，其中包括如何将封装体固定于散热基板上、散热结构外型设计、主被动散热考虑与外部环境等条件。因此在此处应该进行相关模拟设计，取得灯具在引擎室内的流场与温度条件后再考虑所需的散热模式，若选用被散动热得需要较大的散热空间，对引擎而言是不小的负担，若选用主动式散热，虽然所需散热环境较小，但因为增加了风扇等可动件，反而需考虑此可动件可否通过车灯上的相关法规，包括震动、粉尘、腐蚀与湿气等严苛环境。

 

LED技术仍在快速发展，持续更新，光学与热学性能设计会越来越完善，为它在汽车车灯中的运用提供了较好的支持。作为LED应用者有必要对其应用数据库进行实时更新，并不断累积经验以便对前期设计起到良好借鉴作用；在软件模拟中参数设置方面，同样要不断地累积，后续，尽量缩小与现实之间的差距，从而为LED汽车灯具提供更优质的热量设计方案。