LED汽車(chē)燈具散熱設(shè)計(jì)淺談

摘 要：LED作為汽車(chē)車(chē)燈光源已經(jīng)開(kāi)始普及化，PCB作為L(zhǎng)ED的載體，必須展開(kāi)對(duì)PCB、LED以及其他驅(qū)動(dòng)元器件的熱分析工作并積累足夠的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因?yàn)長(zhǎng)ED雖是低能耗，對(duì)周?chē)臒嶙饔煤苄。荓ED內(nèi)部的熱量密度很大，如果不進(jìn)行散熱，LED結(jié)點(diǎn)溫度升高，會(huì)影響LED的性能，可能導(dǎo)致無(wú)法滿(mǎn)足汽車(chē)車(chē)燈光學(xué)上的要求。本文主要講述LED方面的CAE熱量分析工作，LED不同光色的不同光輸出特性，以及對(duì)不同類(lèi)型的PCB，如何更好地管理和應(yīng)用LED。 　　前言 　　LED由于具備體積小、壽命長(zhǎng)、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為備受矚目的新一代汽車(chē)車(chē)燈光源。LED作為信號(hào)燈（位置燈、制動(dòng)燈、轉(zhuǎn)向燈、日間行車(chē)燈）應(yīng)用已十分普遍；隨著行業(yè)需求日益更新，LED作為前霧燈、遠(yuǎn)近光燈等照明功能光源則亟待解決。由此可以看出，LED的應(yīng)用已從小功率逐步向中、高功率方向發(fā)展。法規(guī)GB 4785-2007中明確指出，對(duì)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(cè)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。雖然LED的整體功率較小，輻射熱量較燈絲燈泡光源小很多，但只有10%～20%的功率會(huì)轉(zhuǎn)換為光，其余80%～90%的功率則仍會(huì)轉(zhuǎn)化成熱量?？紤]到LED芯片尺寸較小（毫米量級(jí)），如果這部分熱量積聚在LED內(nèi)部，LED芯片的熱密度會(huì)很高（以1W大功率LED為例，芯片內(nèi)部的熱密度可達(dá)109W/m3），這正是大功率LED散熱必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題之所在。 　　1 LED的特性差異 　　目前業(yè)內(nèi)使用的LED類(lèi)型很多，其光學(xué)和熱學(xué)特性差異較大；即使是同品牌、類(lèi)型相近的LED，其光學(xué)和熱學(xué)特性差異仍然很明顯。以O(shè)SRAM推出的LA W5SM和LY W5SM兩種型號(hào)LED產(chǎn)品為例，兩者均采用InGaA1P芯片技術(shù)，結(jié)點(diǎn)溫度均可達(dá)135℃，熱阻典型值為6.5K/W，但是兩者的光學(xué)特性與溫度的關(guān)系截然不同。圖1為光輸出比率（某結(jié)溫下的光輸出與25℃結(jié)溫下光輸出的比值）與結(jié)溫的關(guān)系曲線(xiàn)，隨著結(jié)溫升高，光輸出比率則降低，呈明顯的反比例關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度同樣為60℃時(shí)，LY W5SM的光輸出已經(jīng)衰減到60%，而LA W5SM的光輸出仍保持在70%以上。 　　LW W5SM是OSRAM推出的Golden DRAGON系列大功率白光LED，采用Thin GaN芯片技術(shù)，通過(guò)熒光，實(shí)現(xiàn)白光光色的色度學(xué)要求，結(jié)點(diǎn)溫度同樣只能做到135℃。圖2所示為L(zhǎng)W W5SM光衰隨著結(jié)點(diǎn)溫度變化的曲線(xiàn)；結(jié)點(diǎn)溫度為60℃時(shí)，光輸出在90%以上。 　　由此可見(jiàn)，對(duì)于不同類(lèi)型的LED，考慮到其不同的芯片技術(shù)和光學(xué)特性，其光衰特性差異很明顯，需要在選用LED時(shí)重點(diǎn)考慮其本身的特性差異。 　　2 PCB差異對(duì)LED散熱設(shè)計(jì)的影響 　　目前常用PCB通常有4種，按材質(zhì)區(qū)分為3類(lèi)：鋁基板線(xiàn)路板MCPCB、FR4板、柔性線(xiàn)路板FPC。其中FR4常用為雙面板、單面板；鋁基板的散熱特性最好，但是線(xiàn)路較難布置。雙面板是比較好的選擇，散熱特性較好，同時(shí)雙面的銅層分布，線(xiàn)路排布比較容易。單面板是最原始的。柔性線(xiàn)路板是為滿(mǎn)足3D的線(xiàn)路板排布需求，也是因?yàn)槟壳皩?duì)車(chē)燈的造型需求越來(lái)越高，柔性線(xiàn)路板自身散熱特性較差，通常需增加額外的散熱器進(jìn)行散熱，而此時(shí)影響散熱性能的重要工藝則為柔性板和散熱器之間的連接方式。 　　線(xiàn)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(xiàn)路板材料、線(xiàn)路板面積、散熱器材料、散熱器面積。下面介紹1種獲取LED線(xiàn)路板相關(guān)參數(shù)的試驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。 　　針對(duì)以上4種不同類(lèi)型的PCB，采用同樣的尺寸設(shè)計(jì)，在其中心焊上LED，調(diào)整LED輸入電流，恒流驅(qū)動(dòng)，通過(guò)測(cè)量該電流下的光衰、以滿(mǎn)足15%以?xún)?nèi)衰減值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。15%的光衰標(biāo)準(zhǔn)是配光1min和30min都滿(mǎn)足法規(guī)要求的1個(gè)經(jīng)驗(yàn)值。圖4所示為PCB外形和LED定位；表1列出LA W5SM、LYW5SM對(duì)4種不同的PCB，在沒(méi)有外置散熱器的情況下，光衰滿(mǎn)足15%時(shí)的輸入功率大小。結(jié)合PCB固定的面積大小，可以得出對(duì)應(yīng)不同的PCB板對(duì)該款LED單位功率的散熱面積。在向后的設(shè)計(jì)中，針對(duì)不同的LED，為PCB種類(lèi)的選擇和散熱面積的大小等設(shè)計(jì)方案提供參考，既滿(mǎn)足性能要求，又可節(jié)約成本。 　　3 LED的熱量分析工作 　　LED熱量分析工作的主體是LED，是為了保證LED有穩(wěn)定的光輸出，滿(mǎn)足配光特性要求，并且滿(mǎn)足PN結(jié)結(jié)點(diǎn)溫度的限制，以滿(mǎn)足壽命要求；其間涉及到與它工作相關(guān)的PCB和PCB上元器件的熱量問(wèn)題。 　　在LED燈具設(shè)計(jì)前期，涉及多個(gè)部門(mén)的工作，配光設(shè)計(jì)、電子電路設(shè)計(jì)、熱量分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這些部門(mén)的工作在前期需要相互協(xié)作。表1的作用就是在設(shè)計(jì)前期提供大家1個(gè)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，為配光設(shè)計(jì)在LED選型、電子電路設(shè)計(jì)時(shí)電流的設(shè)定和PCB類(lèi)型的選擇、為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)PCB尺寸設(shè)定等工作提供參考。 　　在PCB數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)都確定后，會(huì)對(duì)LED燈體進(jìn)行電腦輔助評(píng)估——CAE分析工作。首先是對(duì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、PCB及其元器件的簡(jiǎn)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(duì)LED的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化過(guò)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(jiǎn)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(duì)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(guò)1min和30min的溫度結(jié)果，結(jié)合LED的光輸出—溫度特性曲線(xiàn)，了解該光衰下配光能否滿(mǎn)足要求。在分析軟件中，有對(duì)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(duì)PCB可以編輯電介質(zhì)層和導(dǎo)電層的材料屬性；對(duì)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(duì)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。 　　4 結(jié)束語(yǔ) 　　LED技術(shù)還在飛速發(fā)展、不斷更新，光學(xué)和熱學(xué)性能設(shè)計(jì)也將越來(lái)越好，對(duì)其在汽車(chē)車(chē)燈上的應(yīng)用提供更好的支撐。作為L(zhǎng)ED的應(yīng)用者，需要實(shí)時(shí)地更新自己的應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)，積累經(jīng)驗(yàn)，為前期設(shè)計(jì)提供好的參考；在軟件模擬的參數(shù)設(shè)置上，也同樣需要不斷積累、跟進(jìn)，盡可能的減少與實(shí)際情況的差異，為L(zhǎng)ED燈具設(shè)計(jì)提供更好的熱量設(shè)計(jì)方案。（黃立敏 昌 進(jìn)　星宇車(chē)燈股份有限公司，江蘇 常州 213022）