LED汽車前大燈光源三維設(shè)計與性能分析

王升平，景玉軍，郭美華

(中山職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，廣東 中山　528404)

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LED汽車前大燈光源三維設(shè)計與性能分析

王升平，景玉軍，郭美華

(中山職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，廣東 中山528404)

摘要：分析了LED光源由平面封裝擴展為三維封裝時的封裝面擴展系數(shù)和出光角度的變化。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計并制造了三種不同封裝長度、不同功率的三維LED汽車前大燈光源。測試結(jié)果表明，三維封裝光源的光通量隨注入電流的增大線性增加，當光源的實際發(fā)光功率為15.2 W時，光通量即達到汽車前大燈遠光燈照明所需的2000 lm，節(jié)能效果明顯。三維封裝光源的色溫隨注入電流的增加而增加，而發(fā)光效率和色坐標均隨注入電流的增加而降低，顯色指數(shù)基本保持不變。

關(guān)鍵詞：LED；汽車前大燈；三維封裝

引言

汽車前大燈是LED的重要應(yīng)用領(lǐng)域。2002年，奧迪公司在A8車型上首次采用 LED 作為日間行駛信號燈光源，向人們展示了基于LED光源的汽車前照燈飾設(shè)計理念[1]。2007年，采用日本KOITO設(shè)計的組合式LED前大燈的雷克薩斯LS600h/LS600hL車型量產(chǎn)，但其中只有近光燈和輔助照明采用了LED光源。2008年，奧迪R8成功推出，標志著全球第一款量產(chǎn)的搭載全LED 前大燈總成車型誕生。

對于LED汽車前大燈的研究，Ge等[2,3]提出了一種適用于汽車前大燈近光燈模組的復(fù)合光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用高亮LED器件作為光源，能耗不到10W，能夠?qū)崿F(xiàn)精準的照度分布。Wang等[4]設(shè)計了一種基于大功率LED的汽車前大燈的近光燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生高質(zhì)量的光線分布和非常尖的邊界線。此外，Wang等還對三種基于熱管-翅片-散熱片結(jié)構(gòu)的散熱模組進行了仿真，并制作出一種針對LED前大燈近光燈的散熱模組。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)散熱模組有很好的散熱效果，甚至在80℃環(huán)境溫度下都能滿足LED前大燈近光燈系統(tǒng)的工作需求。Ge等[5]為了消除采用LED作為光源的汽車前大燈的彩虹現(xiàn)象，開發(fā)了一種基于自由形式微型透鏡的LED遠光前大燈。由LED光源發(fā)出的光線能夠被準直系統(tǒng)平行化并通過微型透鏡得以重新分布，能夠有效消除彩虹現(xiàn)象。Zhu等[6]采用12×4的平面封裝形式，考察了LED平面陣列封裝光源作為汽車前大燈光源的出光特點?？梢?，對LED汽車前大燈的研究主要集中在前大燈近光燈系統(tǒng)，并以平面陣列封裝光源為主。LED汽車前大燈遠光燈需要 2000 lm 以上的白光，光強高；另一方面，汽車前大燈遠光燈空間狹小，且光源大體上必須位于焦平面，平面陣列封裝難以滿足要求。此外，狹小空間內(nèi)的大功率LED發(fā)光，給LED的熱管理即溫升控制帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計制造新型三維LED汽車前大燈遠光燈光源極為必要。

本文首先分析LED光源由平面封裝擴展為三維封裝的封裝面擴展系數(shù)與出光角度，然后設(shè)計制造三種不同長度、不同功率的六棱柱形三維LED汽車前大燈遠光燈光源，并對該光源的光電參數(shù)作了測試與分析。

1三維LED光源封裝面擴展系數(shù)與出光角度

傳統(tǒng)平面封裝光源受條件限制，往往存在封裝LED燈珠密度不足、單個燈珠間出光相互影響、平面光源難以滿足180°出光角度等問題。將多顆LED燈珠的封裝形式從平面擴展為空間立體，增加了可封裝LED燈珠的數(shù)量；LED燈珠安裝區(qū)域被分割成多個非共面的次級平面，可有效避免燈珠間的光線影響；多個燈珠安裝次級平面分散出光，可形成大角度的空間光色分布。

1.1　三維封裝封裝面擴展系數(shù)

設(shè)平面封裝光源的LED燈珠安裝區(qū)長度為La，平面封裝光源向三維立體擴展的實質(zhì)是向以安裝區(qū)長度為直徑的圓的內(nèi)接多邊形演變[7]，如圖1所示。根據(jù)幾何關(guān)系，演變后的三維封裝結(jié)構(gòu)單個次級平面長度設(shè)為Lsa

式中N為三維封裝次級平面數(shù)，則三維封裝結(jié)構(gòu)的燈珠安裝平面總長度為

La′=N×Lsa

將La′與La的比值定義為封裝面擴展系數(shù)δa，隨著三維封裝次級平面數(shù)的增多，用于燈珠安裝的平面的總長度呈上升趨勢，并且無限接近于以安裝區(qū)長度為直徑的圓的半周長如圖2所示。

圖1　平面封裝擴展為三維封裝示意圖Fig.1　Two-dimensional package expanded to 3D package

圖2　三維封裝封裝面擴展系數(shù)δa與次級平面數(shù)N的關(guān)系Fig.2　The relationship between the expansion coefficient δa and sub-plane number N

1.2　三維封裝光源出光角度

LED燈珠的出光角度一般在120°，傳統(tǒng)平面封裝的出光角度也只能保持在120°的范圍。將平面封裝擴展為三維封裝，如圖3所示，出光角度有了明顯的增長，能夠?qū)崿F(xiàn)180°出光，便于二次光學設(shè)計。

圖3　三維封裝光源出光角度與子平面數(shù)的關(guān)系Fig.3　The relationship between the angle of light emitting and the number of the sub-plane in the 3D package

2三維LED汽車前大燈光源結(jié)構(gòu)設(shè)計與封裝

基于對三維封裝封裝面擴展系數(shù)和出光角度的分析，設(shè)計了六棱柱形的LED汽車前大燈遠光燈光源，如圖4所示。正六棱柱的每個側(cè)面上開有一個矩形槽，方便放置金屬基印刷電路板(MCPCB)和布置LED燈珠，MCPCB內(nèi)部設(shè)計有電路，當LED燈珠焊接在MCPCB上后，能夠?qū)崿F(xiàn)MCPCB上LED燈珠的串聯(lián)和各電路板之間的并聯(lián)。鑒于汽車前大燈在使用過程中會受到震動，對LED燈珠的機械強度性能要求高，確保在機械載荷情況下能夠保持高光效。此外，LED燈珠工作溫度范圍寬，所需壽命長。針對上述問題，選擇機械強度高、尺寸小、厚度薄、高亮度、壽命長的共晶3535 LED燈珠，單個燈珠的功率為1 W。

圖4　六棱柱形LED汽車前大燈遠光燈光源結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4　The six prismatic LED automobile headlight light source

然而，LED雖然電光效率高，但由于三維封裝的封裝密度高、功率大，導(dǎo)致該LED光源散熱問題變得非常突出[8]。單顆3535燈珠的標準工作電流是350mA，功率為1W，光電效率一般在30%~40%之間，若以35%為準，在不考慮銀光粉體自身發(fā)熱情況下，可認為單顆3535燈珠每秒發(fā)熱量為0.65J，單顆3535燈珠的熱流密度為53060J/(m2·s)。由于數(shù)十個燈珠高密度封裝，三維封裝光源熱流密度極高。為了解決該光源高熱流密度散熱問題，采用熱管散熱器方案，熱管具有強大的傳熱能力，熱阻幾乎為零。因此，在六棱柱支架上開有通孔，方便放置熱管如圖4所示。在MCPCB的背面，涂有導(dǎo)熱硅脂，以便將LED發(fā)出的熱量迅速傳入熱管，實現(xiàn)散熱。根據(jù)散熱要求，選擇外徑為8mm、長度180mm、內(nèi)部燒結(jié)有吸液芯的熱管，其熱阻≤0.08℃/W，啟動溫度為30℃，理想工作溫度在30~200℃，能夠在80W的熱負載下有效傳熱而不被燒干。散熱器選擇太陽花圓柱形鋁質(zhì)散熱器，該散熱器重量輕、導(dǎo)熱性能良好、散熱面積大等優(yōu)點，能夠保證LED產(chǎn)生的熱量經(jīng)熱管快速傳遞到散熱器上后，將熱量及時散發(fā)，保證LED器件的正常工作。該光源經(jīng)擴晶、固晶、回流焊、熒光膠封裝、硅膠封裝、MCPCB封裝、散熱模組安裝等工序封裝后，成為三維大功率LED汽車前大燈遠光燈光源。圖5為封裝后的由36個3535 LED燈珠組成的六棱柱LED汽車前大燈遠光燈光源。

圖5　三維大功率LED汽車前大燈遠光燈光源實物圖Fig.5　3D high-power LED automobile headlamp light source entity picture

3測試結(jié)果與分析

3.1　光通量與發(fā)光效率

用L表示六棱柱LED三維光源的支架長度，M表示單個MCPCB上焊接的LED燈珠數(shù)量，L-M表示在長為L的六棱柱LED三維光源支架的每一面MCPCB上封裝有M個3535燈珠，本文封裝了30-4(共24個燈珠)、40-6(共36個燈珠)、50-8(共48個燈珠)三個LED光源。圖6表示三個六棱柱LED三維光源光通量與總注入電流的關(guān)系。從圖6可以看出，對于每個三維光源，隨著注入電流的增大，光通量線性增加。PN結(jié)是發(fā)光二極管的核心部分，電流增加后，注入到發(fā)光區(qū)的電子和空穴數(shù)量增加，發(fā)生輻射復(fù)合的數(shù)量也會增加，器件的光通量增加。當注入的總電流分別為670 mA和900 mA時，50-8和40-6兩個光源的光通量都達到了2000 lm，能夠滿足汽車前大燈遠光燈對LED光源的要求。此時，50-8和40-6兩個光源的功率均僅為15.2 W，與目前普遍采用的鹵素或氙氣前大燈相比，節(jié)能效果極為明顯。而光源30-4，當注入電流為1000 mA時，光通量接近1500 lm，此時功率為11.4W。這表明，50-8和40-6兩個光源比較適合作為汽車前大燈光源。

圖6　不同長度六棱柱LED三維光源光通量與電流的關(guān)系Fig.6　Retationship between the luminous flux and the current in six prismatic LED 3D light source with different length

圖7表示三個六棱柱LED三維光源發(fā)光效率與注入電流的關(guān)系。從圖7可以看出，發(fā)光效率隨著注入電流的增大逐漸降低。隨著注入電流的增大，注入發(fā)光區(qū)的電子發(fā)生非輻射復(fù)合的幾率變大，使器件的內(nèi)量子效率降低；同時，由于電流增加導(dǎo)致器件的溫度升高，使熒光粉的量子效率降低，進一步增加了非輻射復(fù)合的幾率?？傮w情況下50-8三維光源的光效率最高，30-4三維光源光效率最低。

圖7　不同長度六棱柱LED三維光源光效與電流的關(guān)系Fig.7　Retation between the luminous efficiency and the current in six prismatic LED 3D light source with different length

3.2　色坐標、色溫和顯色指數(shù)

由于均采用3535燈珠，三種三維光源的色坐標、色溫和顯色指數(shù)十分接近，并且隨著注入電流的增大有著相同的變化趨勢，所以僅以40-6的三維光源的測試數(shù)據(jù)進行分析，如圖8、圖9所示。隨著驅(qū)動電流的增大，三維光源的X、Y色坐標值均有所減小，且Y坐標值減小得較X坐標值快；色溫逐漸升高，而顯色指數(shù)基本保持不變。這是因為注入電流增大后，芯片發(fā)出的藍光增多，熒光粉層的厚度是一定的，則在出射的白光中藍光成份增加，根據(jù)光譜圖可知，其色坐標均會減小，而器件的色溫有所增加。然而，顯色指數(shù)與光譜成分有關(guān)，電流增加并不影響出光的光譜的分布，所以器件的顯色指數(shù)幾乎沒有變化。

圖8　40-6的三維光源色坐標隨電流變化圖Fig.8　The trend chart of the No.40-6 3D light source color coordinate change with the current

圖9　40-6的三維光源色溫與顯指隨電流變化圖Fig.9　The tread chart of the No.40-6 3D light source color coordinate change with the color rendering

4結(jié)論

1)LED器件的三維封裝對于汽車前大燈遠光燈等具有較高配光要求和較小放置空間而又要求大功率的應(yīng)用場合具有較好的適應(yīng)性。三維封裝能夠有效增大LED燈珠的封裝長度，提高光源出光效率，改善出光角度。

2)50-8和40-6兩個六棱柱三維光源的總注入電流分別為670mA和900mA時，光通量均達到2000 lm，達到汽車遠光燈的照明要求，而此時功率僅為15.2 W，節(jié)能效果明顯。

3)六棱柱形三維光源的光通量、色溫均隨著電流的增大而增大，而發(fā)光效率和色坐標均隨著電流的增大而減小，顯色指數(shù)基本保持不變。

參考文獻

[1] EICHHORN K. LEDs in automotive lighting[C]//Integrated Optoelectronic Devices 2006. International Society for Optics and Photonics, 2006, 6134: 613405-6.

[2] GE A, DU Z, WANG W, et al. A composite optical system for a LED based headlamp low beam module [J]. Lighting Research and Technology, 2013, 45(6): 752-757.

[3] GE A, WANG W, DU Z, et al. Design of an LED-based compound optical system for a driving beam system [J]. Applied optics, 2013, 52(12): 2688-2693.

[4] WANG J, CAI Y X, LI X H, et al. Design of automotive headlamp with high-power LEDS[J]. International Journal of Automotive Technology, 2014, 15(4): 673-681.

[5] GE P, LI Y, CHEN Z, et al. LED high-beam headlamp based on free-form microlenses[J]. Applied optics, 2014, 53(24): 5570-5575.

[6] ZHU X, ZHU Q, WU H, et al. Optical design of LED-based automotive headlamps[J]. Optics & Laser Technology, 2013, 45: 262-266.

[7] 李宗濤. 集成式LED多芯片封裝的設(shè)計與制造[D]. 廣州: 華南理工大學, 2013.

[8] 郭凌曦, 左敦穩(wěn), 孫玉利, 等. LED散熱技術(shù)及其研究進展[J]. 照明工程學報, 2013, 24(4): 64-70.

中國照明學會暨北京照明學會2016迎新春聯(lián)誼會在北京舉辦

2016年1月20日，中國照明學會、北京照明學會2016迎新春聯(lián)誼會在北京申安集團舉辦，中國照明學會在京的理事、會員代表、部分老同志，部分京外的代表，工信部半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用聯(lián)盟關(guān)白玉秘書長，國家半導(dǎo)體照明研發(fā)與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟吳玲主任、阮軍副主任，中國照明電器協(xié)會陳燕生副理事長兼秘書長等100余人參加了聯(lián)誼會。中國照明學會邴樹奎理事長、北京照明學會王大有副理事長、申安集團莊申安董事長、中國照明學會顧問張紹綱等在聯(lián)誼會上發(fā)言，中國照明學會竇林平秘書長主持。

邴樹奎理事長代表中國照明學會首先感謝學會會員對學會工作的大力支持，感謝學會的老同志長期以來對學會工作的關(guān)注及建議，感謝原理事長甘子光(已故)、王錦燧、徐淮同志為中國照明學會做出的貢獻。

2015年中國照明學會在中國照明領(lǐng)域?qū)W術(shù)交流、照明科普、教育培訓(xùn)、驅(qū)動創(chuàng)新等方面開展了大量的工作，中照照明獎、照明設(shè)計師的培訓(xùn)、北京國際照明展覽會、《照明工程學報》等在中國照明領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的影響。2016年是國家十三五規(guī)劃的開局之年，面臨著中國照明產(chǎn)業(yè)格局的巨大變化，中國照明學會將貫徹落實黨中央關(guān)于群團工作會議的精神，按照學會的章程，本著為社會經(jīng)濟發(fā)展服務(wù)、為科技工作者服務(wù)、為會員服務(wù)的宗旨，繼續(xù)在引領(lǐng)照明科技發(fā)展，促進照明事業(yè)繁榮，加強學會自身建設(shè)等方面開展工作。2016年將做好學會的“十三五”規(guī)劃，在承接政府職能轉(zhuǎn)移、驅(qū)動創(chuàng)新等方面開展深化工作，繼續(xù)做好中國照明論壇、中照照明獎、照明設(shè)計師培訓(xùn)、照明科普、照明展、照明學術(shù)期刊的出版等品牌工作，盡快開展學會團體標準的制定、照明領(lǐng)域職稱的評定、創(chuàng)新基地的評定、照明人才的評價等工作。2016年是中國照明學會的換屆年，做好中國照明學會的換屆工作，是今后中國照明學會快速發(fā)展的重要保證。

聯(lián)誼會期間，大家歡聚一堂，共敘友誼，還參觀了申安集團的照明產(chǎn)品展示室，了解申安集團研發(fā)的LED照明新產(chǎn)品以及完成的照明工程案例。

Performance Analysis and Three-dimensional Design for the Light

Source of LED Automobile Headlights

Wang Shengping, Jing Yujun, Guo Meihua

(MechanicalandElectronicEngineeringDepartmentofZhongshanPolytechnic,Zhongshan528404，China)

Abstract：This paper analyzes how the package surface expansion coefficient and the angle of light emitting change when LED light source is extended from two-dimensional package to 3D package. On this basis, the 3D LED light sources of the automobile headlamp with three different package lengths and different powers is designed and manufactured The test results show the luminous flux of 3D package source increases linearly with the input current. When the actual light-emitting power was 15.2 W, the luminous flux is up to 2000 lm required by the high beam at the headlight. The energy saving effect is obvious. The color temperature will increase with the input current. The luminous efficiency and the color coordinate will decrease with. The color rendering index remained unchanged basically.

Key words:LED; automobile headlight; 3D package

基金項目：中山市科技計劃項目資助(20123A249)

中圖分類號：TM923

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.019