LED汽车前大灯散热与光衰研究

    众所周知，半导体材料在工作时受环境温度影响较大。大功率LED的光电转换效率更低，工作过程中只有10%～25%的电能转换成光能，其余的几乎都转换成热能。加之汽车前大灯安装在炙热的发动机舱内，高温水箱、引擎、排气系统所产生的热将led前大灯置于严酷的环境中。传统车灯灯泡所产生的热远高于LED，但灯泡输出的亮度不会因为热而变化，其热设计的重点是壳体内的均温设计。而LED的光输出却会因为自身的热或来自发动机舱的高温而影响本身PN结温稳定，LED光通量ФV和波长等重要参数受到PN结温的直接影响，这种不良的温度循环将导致发光效率和寿命急剧下降。因此散热成为LED作为光源设计的重要课题。

　　1、汽车前大灯的散热技术

　　1.1 被动散热与主动散热

　　通常的散热设计中，焊装大功率LED的电路板被紧紧固定在散热器上。LED工作时所产生的热量通过传导方式经由电路板被传导到热传导率较好的铝质散热器上。铝质散热器的翼片与空气大面积接触将热散发开来。为了有效地减小散热器和电路板之间的热阻，其间填充了导热介质。选用的散热器其翼片形状和面积是可以满足LED大灯散热方案的设计。这种散热方式我们称之为被动散热[2]。

　　主动散热常用液冷、热管、风冷等方式。由于液冷使用的液体必须在泵的带动下强制循环带走散热器的热量，热管则依靠高导热性能的传热元件在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，二者都不适合车灯内使用。风冷散热具有价格较低、安装简单等优点最为常用。针对被动散热方式存在的散热器中心区域温度相对集中的情况，加装风扇强制对流后(见图1)，对缓解散热器温度不均匀有明显效果。

　　1.2 LED散热通道设计

图1：加装风扇后强制对流

　　通常LED被焊在双面敷铜层的印制板(PCB)上[1]，LED的底面与PCB的敷铜面焊在一起，为提高散热效率，以较大的敷铜层作散热面。这是一种最简单的散热结构[3]。

　　本文研究的汽车前大灯用LED是目前OSRAM公司最大功率的一种LEUMD1W4[3]；管芯散热设计选用了一种更利于散热的LE3S封装[1]。这种封装的特点是，以面积较大的铜合金散热垫为基座，管芯固定在基座中央。同时将LED基座与铝基板接触区域的绝缘介质剥离，使铜合金基座与铝基板直接接触。基座上的热直接传导至LED的外部。这种内部结构去处了管芯和基座之间的介质减少了热阻，更直接地将管芯的结温导出(见图2a)。

　图2 ：汽车大灯用L ED、等效热阻散热路径图

    本文研究的LED汽车前大灯主要散热路径是：管芯→铜合金基板→铝基板→散热器或机壳→环境空气，(见图2b)。若LED的结温为TJ，环境空气的温度为TA，散热垫底部的温度为Tc(TJ>Tc>TA)，在热传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。管芯传导到散热垫底面的热阻为RJC(LED的热阻)、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气的热阻为RBA，则从管芯的结温TJ传导到空气TA的总热阻RJA，RJA与各热阻关系为：RJA=RJC+RCB+RBA，铜合金基板和铝基板导热性能接近且热阻小，其导热性能就好，即散热性能也越好[2]。该散热结构的总热阻比常规结构减少近26%。

　　2、车灯环境的系统设计

　　由于现阶段的LED的输出光通量低，仅汽车近光灯就需要1000lm以上。考虑到汽车前大灯的配光要求以及电学、光学参数的稳定性，LED应用于汽车前大灯常需要集几颗甚至几十颗LED元件于一块模组中，才能满足车灯法规所需的要求。目前，我们针对O2star[1]和X2lamp产品的类似封装进行配光设计。其中OSTAR4chip车灯专用的LEUMD1W4[3]单只LED输出光通量大于350lm，阵列3只这种LED即可满足车灯1000lm的基本要求。

　　(1)扩大散热面积提高传导效率。在LED汽车前大灯近光单元设计中，3颗大功率LED阵列在铝基板上。这种紧密排列的大功率LED热量的高度集中和散热难度可想而知。试验样件的做法是铝基板与散热器紧密贴合固定。二者之间的填充了性价比较高且使用简单的导热硅脂，在整个散热系统中，硅脂层其实是散热关键之所在。目前主流导热硅脂的导热系数均大于1W/m·K，优质的可达到6W/m·K以上，试验选择了性价比较高导热率达到4。4W/m·K的TG2244导热硅脂。

图3：风冷和外置散热

　　(2)强制对流提供与外界空气热交换。在散热片的背面加装风扇促使强制空气流动。风扇加速了散热片的热交换的同时，流动的空气也直接从PCB板上带走了部分热量。由于灯体的狭小且密封，与外界的空气对流几乎不可能。图3a所示风冷结构中风扇的强制对流可以缓解散热器中心区域与周围环境的温度不均匀，使灯体内部和灯体外壳的温度尽量接近。有助于将内部的热通过外壳和外置散热器传导出去。

　　(3)散热器部分外置。根据发动机舱内的分布及灯体安装的空间大小，将灯体散热器设计为内置和外置二个部分，如图3b所示。外置散热器设计在灯壳的上缘。内置LED产生的热由内置散热器传导到外置的散热片上，再通过对流散热。考虑到灯光通常在行驶时开启，发动机舱受到强对流风冷的作用，温度相对较低。加之车灯外壳上缘恰好暴露在车前盖的缝隙处，车辆行驶时车盖缝隙导入的气流流经外置散热片的翼片，外置散热器受到空气的风冷。外置散热器对灯内的降温发挥了很好散热作用。

　　3、试验方法和数据

　　3.1 试验设置和设备

　　根据理论设计、数据仿真，制作了试验模型和LED前大灯工作样件。样件制作要求尽量接近目标产品，以求研究成果更快更好地转换为产品。灯体内分别安装了以LED为光源的远光灯、近光灯以及转向灯、位置灯。测试观察的重点是灯体内部温度对光衰的影响。

　　主要测试设备为远方光电信息有限公司的YF1000光色电综合分析系统、车灯配光自动测试系统以及多点温度检测仪等专用设备。测试点分别是：车灯照度、光型、LED光源温度、PCB温度、散热器温度以及灯腔不同位置的温度梯度[4]。设备具有自动记录和数据预置功能，以验证散热与光衰的关系。

　　3.2 试验数据

　　图4是LED光源温度与光衰在不同的散热方式下的关系曲线。图中可见仅PCB散热、加散热器的被动散热和强制对流的主动散热3种不同散热设计存在相当大的差异。后二种在105℃时，基本上能够提供80%以上的出光率。

图4：散热效果不同对光衰的影响

　　一般功率器件(如电源IC)散热计算中，只要结温小于最大允许结温温度(一般是125℃)就可以了。但在大功率LED散热设计中，其结温TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ对LED的出光率及寿命有较大影响，TJ越高会使LED的出光率越低，寿命越短。OSTAR公司给出的大功率白光LED的结温TJ在亮度衰减70%时与寿命的关系，如图5所示。

图5：OSTAR公司LED结温影响寿命图

　　我们对图3b所示的前大灯样件做了不同条件下的光衰测试，试验建立在LED散热良好的基础上，模组安装在大灯封闭壳体内，温度检测点在LED光源附近。试验数据采集时的环境温度是在灯体外部施加的。试验结果表明环境温度60℃时，光衰缓慢；100℃时，光衰加剧(见图6)。

图6：不同温度环境下LED的光衰

　　4、结论

　　LED自身的PN结产生的结温升高，使LED的光衰加剧、发光效率受到影响，寿命变短。应用LED作为汽车前大灯光源时，通常会采用多个LED芯片阵列设计。因此在LED前大灯样机设计中，首先做好LED散热设计使结温受到控制之后，根据LED大灯的运行环境，控制驱动功率和温升，大功率LED小于80%的光衰和3000h的寿命才能得到基本保障。LED汽车前大灯产品才有广泛的市场前景。