LED汽車前大燈散熱與光衰研究

敖卓強(qiáng)

中山易事達(dá)光電科技有限公司 廣東 中山 528467

1 汽車前大燈散熱技術(shù)分析

由于半導(dǎo)體材料的材質(zhì)對工作環(huán)境溫度較為敏感，特別是 LED的工作環(huán)境中，其通常溫度升高較快、發(fā)熱量大，導(dǎo)致半導(dǎo)體的光轉(zhuǎn)化能力效率相對很低，通常開始時(shí)能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為光能的約10%～20%的電能可以轉(zhuǎn)化成光能，其余電能則通過熱能的形式進(jìn)行釋放，所以導(dǎo)致大量熱量產(chǎn)生。因此需要加強(qiáng)LED前大燈的散熱技術(shù)的運(yùn)用，使半導(dǎo)體使用壽命延長。

汽車的前大燈所處的環(huán)境中包括了高溫引擎、水箱、排氣系統(tǒng)等，其產(chǎn)生的熱能使LED的外界環(huán)境溫度不斷升高[1]。與傳統(tǒng)車燈燈泡所產(chǎn)生的熱量相比，是LED燈泡所產(chǎn)生熱量相對較低，其內(nèi)部運(yùn)用了均溫設(shè)計(jì)，燈泡輸出亮度不會(huì)因環(huán)境溫度升高或本身熱量變化而發(fā)生變化。另外半導(dǎo)體材料的PN結(jié)溫溫度與LED光源輸出有聯(lián)系，其高溫?zé)崃繒?huì)使半導(dǎo)體材料PN結(jié)溫溫度不斷提升，因散熱效果不理想會(huì)降低LED的發(fā)光效率，降低其亮度，使半導(dǎo)體壽命大幅縮短。因此加強(qiáng)LED的散熱的效果，是LED中光源設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容。

針對前大燈的散熱技術(shù)，主要包括了主動(dòng)和被動(dòng)散熱兩種，其中被動(dòng)散熱是在指在進(jìn)行大功率LED電路板安裝時(shí)將其固定在散熱器上的一般散熱設(shè)計(jì)，當(dāng)LED開始工作時(shí)，其熱量由電路板傳導(dǎo)至散熱效率較好的散熱器上，通常采用鋁制品散熱翼片，利用與空氣的大面積接觸，從而起到傳導(dǎo)散熱的作用。同時(shí)在中間通過一定導(dǎo)熱介質(zhì)的填充，使散熱器與電路板之間的熱量阻隔有效減小。另外還應(yīng)對翼片形狀和面積進(jìn)行合理選擇，從而使LED大燈散熱器能夠充分滿足散熱要求。主動(dòng)散熱指的是采用風(fēng)冷、液冷及熱管等的主要散熱方式，其中熱管散熱主要借助于高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，處于全封閉的真空管中的液體通過蒸發(fā)、凝結(jié)的方式進(jìn)行整體熱量的傳遞；采用液冷方式，需要在泵帶動(dòng)下，使液體進(jìn)入強(qiáng)制循環(huán)狀態(tài)，并將整體散熱器的熱量帶走。上述兩種主動(dòng)散熱方式由于各結(jié)構(gòu)部件制造工藝較為復(fù)雜，導(dǎo)致成本造價(jià)偏高。所以較為常用的散熱方式為風(fēng)冷散熱。由于與上述兩種方式相比，風(fēng)冷安裝簡單、造價(jià)較低。另外對于被動(dòng)散熱的方式中，出現(xiàn)的散熱器中心區(qū)域溫度過于集中的問題，可采用風(fēng)扇強(qiáng)制的方式，使對流增強(qiáng)，從而使散熱器溫度不均勻的問題得以緩解。

通常為了使散熱器的散熱效率提高，會(huì)在雙面敷銅層的印制板上進(jìn)行LED的焊接，通過將LED底座與PCB的敷銅層焊在一起，從而形成簡單的散熱結(jié)構(gòu)，利用大面積敷銅層作為散熱面，提高散熱效率。另外前大燈散熱主要通道包括了管芯、銅PCB基板、陶瓷基板、機(jī)殼、散熱，以及環(huán)境空氣。在進(jìn)行LED熱傳導(dǎo)時(shí)，所采用的各種材料存在著不同的導(dǎo)熱性能，產(chǎn)生不同的熱阻隔效應(yīng)，其中熱導(dǎo)率系數(shù)較高的主要有：氮化鋁陶瓷基板、金錫焊層、銅PCB基板、錫合金焊層等，其呈現(xiàn)出較好的散熱性能和導(dǎo)熱性能，此類散熱結(jié)構(gòu)的總熱阻較其他常規(guī)結(jié)構(gòu)整體總熱阻要低。

2 汽車車燈環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

目前采用的LED光通量輸出較低，在進(jìn)行LED車前大燈應(yīng)用時(shí)，需要對其配光要求和電學(xué)光學(xué)的整體穩(wěn)定性進(jìn)行充分考慮，因此需要對前大的模組里所需的LED元件進(jìn)行分析和確定，從而使車燈的整體需求得以有效滿足。在進(jìn)行前大燈近光設(shè)計(jì)時(shí)，將散熱器與銅PCB基板進(jìn)行緊密貼合并加以固定，能夠使性價(jià)比提升，同時(shí)使用更加簡便，能夠起有效散熱的作用[3]。

根據(jù)燈體的安裝空間以及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的分布，散熱器可劃分為內(nèi)置和外置燈體散熱器設(shè)計(jì)兩部分。在內(nèi)置散熱的裝置中，包括了內(nèi)置散熱器，其能夠?qū)崃總鲗?dǎo)至外置散熱設(shè)備上；在車燈內(nèi)殼上進(jìn)行外置散熱器的設(shè)計(jì)，在汽車行駛時(shí)通常LED前大燈才會(huì)打開，通過發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)產(chǎn)生的強(qiáng)對流風(fēng)冷作用，有效降低溫度，并借助對流原理使散熱功能實(shí)現(xiàn)。在車燈的外殼邊緣處即車前蓋縫隙處，在行駛的過程中，縫隙內(nèi)會(huì)進(jìn)入一定氣流，當(dāng)氣流進(jìn)入后再經(jīng)過外置散熱翼片，利用外置散熱器能夠?qū)?nèi)置起到降溫作用。另外為了進(jìn)一步增強(qiáng)空氣流動(dòng)，可在散熱片背面進(jìn)行風(fēng)扇的安裝，利用風(fēng)扇裝置進(jìn)一步促進(jìn)外界熱空氣與強(qiáng)制對流之間的有效交換，使散熱器熱量交換加速，流動(dòng)的空氣能夠從PCB板面上將熱量直接帶走。但由于燈體空間較為狹小，并且內(nèi)部處于禁封狀態(tài)，因此較難與外界空氣形成有效對流狀態(tài)，通過風(fēng)扇產(chǎn)生的強(qiáng)制對流，在風(fēng)冷系統(tǒng)中，能夠提高周圍環(huán)境與散熱器中心地區(qū)的交換效果，使燈體內(nèi)部和燈體的外殼溫度處于接近狀態(tài)，使預(yù)想效果得以達(dá)成。

3 散熱與光衰試驗(yàn)研究

根據(jù)光源溫度以及光衰的不同散熱方式，并基于LED散熱良好的基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，針對試驗(yàn)中所出現(xiàn)的不同效果變化利用一定的線段點(diǎn)法進(jìn)行記錄，在記錄過程可以發(fā)現(xiàn)：在不同散熱的情況下，采用加熱器散熱、PCB散熱的被動(dòng)散熱器與采用強(qiáng)制對流的主動(dòng)散熱器的散熱效果之間存在較大差異[4]。實(shí)驗(yàn)主要針對車燈外殼環(huán)境溫度進(jìn)行采集，并將其作為LED光源溫度，對車燈外殼進(jìn)行溫度測試時(shí)，對不同環(huán)境溫度進(jìn)行記錄，實(shí)現(xiàn)LED光源的光通量數(shù)值測量獲取。通過相關(guān)數(shù)據(jù)顯示可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度處于60℃以下時(shí)，LED光源亮度呈現(xiàn)出光衰緩慢的情況，當(dāng)環(huán)境溫度超過100℃時(shí)，LED光源光衰逐漸呈現(xiàn)快速衰減的態(tài)勢。

4 結(jié)束語

本文對LED汽車前大燈散熱及光衰進(jìn)行研究中發(fā)現(xiàn)。LED會(huì)使光衰現(xiàn)象的加劇，直接影響發(fā)光效率，同時(shí)LED自身的PN結(jié)的結(jié)溫不斷升高，也使其使用壽命不斷縮短。在實(shí)際應(yīng)用中通常運(yùn)用多個(gè)LED芯片進(jìn)行陳列，所以加強(qiáng)LED散熱架設(shè)計(jì)至關(guān)重要，能夠?qū)Y(jié)溫進(jìn)行有效控制，使其使用壽命有效延長。