淺談LED車燈-散熱設(shè)計(jì)

摘要：開始著手設(shè)計(jì)頭燈之前，應(yīng)先考慮法規(guī)上的相關(guān)規(guī)定，包括光型亮度，環(huán)境測試，亮度衰減等需求。例如法規(guī)GB4785-2007中明確指出，對于所有不是使用燈絲燈泡的裝置，點(diǎn)亮1min和30min時(shí)其發(fā)光強(qiáng)度測量應(yīng)符合附表中最大值和最小值的要求。究其根因是LED本身特性決定的，LED結(jié)溫越高，光輸出則越小。散熱設(shè)計(jì)是LED光源區(qū)別于傳統(tǒng)光源的課題之一。

傳統(tǒng)頭燈的設(shè)計(jì)中，燈泡自身光子的釋放是通過加熱鎢燈絲來實(shí)現(xiàn)的，并不因?yàn)樽陨砩l(fā)的熱量或者從引擎室散發(fā)的熱量過高就會(huì)對亮度輸出造成影響，散熱的重點(diǎn)落到了整個(gè)頭燈腔體均溫設(shè)計(jì)上，而不是燈泡散熱設(shè)計(jì)上，但是在頭燈材料選擇時(shí)需要考慮能否承受燈泡產(chǎn)生的高溫（頭燈腔體大約要經(jīng)受100°C的高溫，而霧燈腔體的高溫可達(dá)到300°C）。因此這里所選擇的材料通常是耐熱材。

對LED來說，盡管LED總體功率低，輻射熱量遠(yuǎn)小于燈絲燈泡光源，而且隨著LED技術(shù)的發(fā)展目前已經(jīng)可以將50%左右的功率轉(zhuǎn)換為光線，但是剩余50%的功率還是會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量。鑒于LED芯片體積?。ê撩琢考?jí)），若該部分熱量聚集在LED內(nèi)，則LED芯片熱密度將非常大，同時(shí)其光子釋放源于PN接口能階跳動(dòng)并和溫度呈負(fù)相關(guān)，且溫度越高光源輸出越微弱。這也恰恰是大功率LED散熱過程中必須要處理好的重點(diǎn)問題。

當(dāng)前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用的LED種類繁多，光學(xué)及熱學(xué)特性也千差萬別；即使在同一品牌，型號(hào)相似的LED中，光學(xué)與熱學(xué)特性的區(qū)別也十分明顯。對不同型號(hào)LED而言，鑒于各自芯片技術(shù)及光學(xué)特性的不同，光衰特性的差別是顯而易見的，因此在選擇LED時(shí)需著重關(guān)注自身特性的差別。

另外，PCB差異對LED散熱設(shè)計(jì)也有影響。目前常用PCB通常有4種，按材質(zhì)區(qū)分為3類：鋁基板線路板MCPCB、FR4板、柔性線路板FPC。線路板設(shè)計(jì)要綜合考慮成本、結(jié)構(gòu)可行性和散熱特性，因此需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期提供有一定參考意義的散熱要素。其中包括：線路板材料、線路板面積、散熱器材料、散熱器面積。

對LED進(jìn)行熱量分析的工作主體就是LED,就是要確保LED具有穩(wěn)定光輸出和符合配光特性，同時(shí)要符合PN結(jié)結(jié)點(diǎn)溫度約束才能達(dá)到壽命；這中間就牽涉到與其工作有關(guān)的PCB以及PCB上元器件發(fā)熱。LED燈具設(shè)計(jì)的早期階段涉及到很多部門工作，如配光設(shè)計(jì)，電子電路設(shè)計(jì)，熱量分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，這幾個(gè)部門之間的工作都是需要前期互相配合完成的。

在PCB數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)都確定后，會(huì)對LED燈體進(jìn)行電腦輔助評估——CAE分析工作。首先是對結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、PCB及其元器件的簡化前處理，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析軟件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立數(shù)據(jù)模型。在對LED的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化過程中，LED內(nèi)部的電路設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)以及封裝的差異都不會(huì)體現(xiàn)，會(huì)根據(jù)LED實(shí)際的外形，將其簡化成1個(gè)方柱或者圓柱實(shí)體，尺寸符合LED的外形大小。

數(shù)據(jù)模型完成后，需要在分析軟件中完成對所有元件賦材料屬性、設(shè)定邊界條件，然后求解穩(wěn)定狀態(tài)下的結(jié)果；也可進(jìn)行1min和30min的瞬態(tài)結(jié)果模擬，通過1min和30min的溫度結(jié)果，結(jié)合LED的光輸出—溫度特性曲線，了解該光衰下配光能否滿足要求。在分析軟件中，有對應(yīng)的PCB和LED等元件的材料屬性可供選擇，并且有參數(shù)可以編輯。對PCB可以編輯電介質(zhì)層和導(dǎo)電層的材料屬性；對LED可以編輯熱阻大小，LED內(nèi)部熱設(shè)計(jì)特性的優(yōu)劣就體現(xiàn)在該參數(shù)上。設(shè)定邊界條件涉及到元器件的功率大小、環(huán)境溫度以及邊界對流換熱系數(shù)等參數(shù)。在分析軟件中的所有設(shè)置，需要盡可能地與實(shí)際相同，盡可能地降低模擬與實(shí)際情況的差異。

在現(xiàn)實(shí)中,LED所產(chǎn)生的熱量是如何散送到外界環(huán)境中去，這和其封裝結(jié)構(gòu)材料有著密切的關(guān)系，這就涉及到所用散熱材料及有關(guān)外型問題。就目前封裝技術(shù)而言，最多可以使LED在185°C下運(yùn)行，但是通常由于封裝膠材等原因可以使運(yùn)行溫度達(dá)到125°C左右，除光源輸出效率外，還需考慮封裝膠材質(zhì)量問題（樹脂類材料存在高溫老化）。

引擎室的溫度在燈具附近最高可到85℃，觀察相關(guān)熱阻，R_Junction-Slug、R_Slug-Board都決定于封裝體，對設(shè)計(jì)者而言只能針對R_Board-Ambient努力，其中包括如何將封裝體固定于散熱基板上、散熱結(jié)構(gòu)外型設(shè)計(jì)、主被動(dòng)散熱考慮與外部環(huán)境等條件。因此在此處應(yīng)該進(jìn)行相關(guān)模擬設(shè)計(jì)，取得燈具在引擎室內(nèi)的流場與溫度條件后再考慮所需的散熱模式，若選用被散動(dòng)熱得需要較大的散熱空間，對引擎而言是不小的負(fù)擔(dān)，若選用主動(dòng)式散熱，雖然所需散熱環(huán)境較小，但因?yàn)樵黾恿孙L(fēng)扇等可動(dòng)件，反而需考慮此可動(dòng)件可否通過車燈上的相關(guān)法規(guī)，包括震動(dòng)、粉塵、腐蝕與濕氣等嚴(yán)苛環(huán)境。

LED技術(shù)仍在快速發(fā)展，持續(xù)更新，光學(xué)與熱學(xué)性能設(shè)計(jì)會(huì)越來越完善，為它在汽車車燈中的運(yùn)用提供了較好的支持。作為LED應(yīng)用者有必要對其應(yīng)用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，并不斷累積經(jīng)驗(yàn)以便對前期設(shè)計(jì)起到良好借鑒作用；在軟件模擬中參數(shù)設(shè)置方面，同樣要不斷地累積，后續(xù)，盡量縮小與現(xiàn)實(shí)之間的差距，從而為LED汽車燈具提供更優(yōu)質(zhì)的熱量設(shè)計(jì)方案。