车灯环境的系统设计 - LED汽车前大灯的散热技术

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。

　　

 

　　(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。

　　

 

　　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。