LED汽車大燈光源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素分析

賀 捷

（同濟(jì)大學(xué)，上海 200092）

LED燈具有小巧、堅(jiān)固、節(jié)能環(huán)保、使用壽命長、智能化等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用在汽車工業(yè)制造領(lǐng)域，滿足人們對汽車安全、舒適、節(jié)能環(huán)保要求。然而由于LED燈耐溫性能比較差，對工作電壓的穩(wěn)定性要求比較高，所以使得LED應(yīng)用在汽車工作環(huán)境下的設(shè)計(jì)帶來一定的難度。因此，如何選擇正確的光源，采取有效的散熱措施和控制電壓穩(wěn)定成為LED汽車大燈設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

1 發(fā)光二極管概述

發(fā)光二極管簡稱LED，是一種結(jié)型電致發(fā)光元件，將電能轉(zhuǎn)化為光能。發(fā)光二極管由PN結(jié)組成，當(dāng)發(fā)光二極管一端施加正向電壓時(shí)，P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近分別于N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生輻射的熒光、不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴的能量不同，則電子和空穴釋放的能量也不同，釋放的能量越多，則發(fā)出的光波長越短。LED燈只能往一個(gè)方向通電，叫做正向偏壓，電流流過二極管時(shí)，電子和空穴在內(nèi)復(fù)合發(fā)出單色光，光線的波長、顏色和半導(dǎo)體材料以及摻入元素雜質(zhì)有關(guān)。發(fā)光二級管具有工作電壓低、電流小、抗沖擊強(qiáng)、可靠性高，通過微弱的電流就可以調(diào)制光線的強(qiáng)弱，因此LED燈應(yīng)用在汽車大燈中，在提高照明效果的同時(shí)，降低了燈光的能耗。在工業(yè)汽車領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，2008年奧迪首次在A4車型的汽車中安裝LED大燈，開啟了LED汽車大燈時(shí)代。目前LED燈只應(yīng)用在比較高端的豪華汽車品牌中，一般價(jià)格低于20萬的汽車很少安裝LED大燈。

2 LED汽車大燈光源設(shè)計(jì)方案

（1）散熱問題。汽車LED大燈的功率比較高，但是大功率的LED燈光光電轉(zhuǎn)換效率比較低，只有10%～25%的電能可以轉(zhuǎn)換為光能，其余的電能全部轉(zhuǎn)換為熱能。而汽車大燈一般安裝在汽車的發(fā)動機(jī)艙內(nèi)，水箱、引擎以及排氣系統(tǒng)運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致整個(gè)發(fā)動機(jī)艙的溫度很高。LED大燈長期在這樣的環(huán)境下運(yùn)行，會影響到發(fā)光效率和使用壽命。LED燈一般需要焊接到電路板上，然后緊固在散熱器進(jìn)行散熱。LED燈運(yùn)行產(chǎn)生的熱量，經(jīng)過電路板傳遞到熱傳導(dǎo)效率好的鋁質(zhì)撒熱氣器上，散熱器和空氣接觸后將熱量散開。但是由于電路板本身就是導(dǎo)熱材料，所以影響到整個(gè)散熱器的散熱效果。傳統(tǒng)的LED電路板一般使用FR4材料，這種材料的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，導(dǎo)熱系數(shù)只有0.5～0.4 W/m-k因此需要使用新型的電路板材。目前市場上的92ML板材采用環(huán)氧樹脂，導(dǎo)熱系數(shù)只有2.0 W/m-k。這種材質(zhì)的電路板材可以降低汽車大燈的結(jié)點(diǎn)溫度，從而提高LED大燈的使用壽命。因此，散熱問題是LED汽車大燈光源設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。通過熱學(xué)觀點(diǎn)分析LED大燈的前照明系統(tǒng)的可行性。LED大燈作為發(fā)光發(fā)熱的元件，其P-N結(jié)的溫度（Tj）不能超過絕對額定值。目前絕對額定值（Tjmax）大約是120℃，自然風(fēng)冷無法達(dá)到這個(gè)要求。假設(shè)單個(gè)LED燈的輸入功率是PLED=2W，12個(gè)LED需要消耗PLAMP=24 W，那么LED的熱阻為Rthhs-a=15℃/W，散熱器體積為400cm2，由鋁和黑色明礬構(gòu)成材料熱阻Rthj-hs=1.5℃/W，LED大燈后方的散熱片周圍的溫度在70℃左右。綜合上述計(jì)算模型，可以得到以下結(jié)果，周邊的溫度是Ta=70℃，散熱器的溫升dThs=PLAMP×Rthhs-a=24W×1.5℃/W=36℃，芯片溫升dTj=PLED×Rthhs-a=2W×15℃/W=30℃。由此得出P-N的溫度=Ta+dThs+dTj=70+36+30=136℃，超過了絕對額度值，需要采取強(qiáng)制冷卻手段。

（2）LED大燈亮度。汽車大燈照明系統(tǒng)中，近光束燈光亮度為2000～30000 cd光強(qiáng)度，遠(yuǎn)光束燈大于50000 cd光強(qiáng)。汽車大燈的亮度取決于所有照明系統(tǒng)的單個(gè)發(fā)光體的光強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)汽車大燈的時(shí)候，必須充分考慮到光線在各個(gè)光學(xué)元件的反射和傳輸過程中光強(qiáng)度的衰減情況。根據(jù)汽車照明系統(tǒng)光在各個(gè)光學(xué)元件的衰減度在25%～40%。在設(shè)計(jì)過程中，要考慮形成漫射光線以及考慮系統(tǒng)其它元件的性能，所以表面面積的數(shù)值必須達(dá)到原來數(shù)值的2～3倍。當(dāng)前LED燈最大亮度是4cd/mm2，無法滿足汽車大燈需求。因此，考慮到前照燈的實(shí)際情況，近光束的亮度需要提高2倍，遠(yuǎn)光束需要提高3倍，2個(gè)LED燈搭配38×94 mm的反射器就可以達(dá)到汽車照明的要求。

（3）選擇合適的LED照明光源。LED的汽車大燈亮度高、投射距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此逐漸替代了鹵素等和氖氣燈。大功率的陶瓷基LED照明光源具有常規(guī)LED照明光源無法比擬的優(yōu)勢，由于陶瓷基板熱阻低、發(fā)光效率高，因此目前大部分汽車大燈使用陶瓷基的LED光源。大功率陶瓷基的LED光源屬于小尺寸、大電流、可靠性強(qiáng)的光源。目前市場上常見的有CREE系列的XHP35、XHP50、XHP70等等。由于大功率陶瓷基LED具有常規(guī)LED透鏡效果，發(fā)光效率比其他材質(zhì)的LED燈更高。然而陶瓷基LED受到封裝形式影響，陶瓷基內(nèi)部芯片只能采取方形布置，在透鏡作用下，發(fā)光區(qū)域?yàn)閳A形。大功率陶瓷基LED燈安裝在汽車大燈以后，光源容易受到陶瓷基板的影響，會產(chǎn)生一定的雜散光和炫光。還需要進(jìn)一步對其進(jìn)行完善，或者研究線性更好的LED光源。隨著汽車生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，目前，一些中高檔汽車開始使用矩陣式的LED大燈，這種大燈安裝了智能開關(guān)，可以對汽車大燈進(jìn)行智能調(diào)控。見表1。

通過對上述兩種不同的LED光源進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)陶瓷基板LED燈光可以實(shí)現(xiàn)汽車大燈高亮度、高效率的要求，且價(jià)格相對比較低廉，適合中低端汽車。矩陣LED大燈可以實(shí)現(xiàn)智能控制，自動調(diào)節(jié)光亮，安全性能比較高，但是價(jià)格比較高，適合高端車輛的設(shè)計(jì)選型。

3 結(jié)語

LED大燈光源耐熱性能差，必須采取有效的措施散熱，以免造成LED大燈的工作溫度過高出現(xiàn)結(jié)溫現(xiàn)象。LED大燈設(shè)計(jì)還需要設(shè)計(jì)電子電路設(shè)計(jì)、熱量分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容，需要各個(gè)技術(shù)部門相互合作。

表1 兩種不同的LED光源比較