LED汽車燈具散熱設計淺談

摘 要：LED作為汽車車燈光源已經(jīng)開始普及化，PCB作為LED的載體，必須展開對PCB、LED以及其他驅(qū)動元器件的熱分析工作并積累足夠的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，因為LED雖是低能耗，對周圍元件的熱作用很小，但是LED內(nèi)部的熱量密度很大，如果不進行散熱，LED結點溫度升高，會影響LED的性能，可能導致無法滿足汽車車燈光學上的要求。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，以及對不同類型的PCB，如何更好地管理和應用LED。 　　前言 　　LED由于具備體積小、壽命長、能耗低等優(yōu)點，已經(jīng)成為備受矚目的新一代汽車車燈光源。LED作為信號燈（位置燈、制動燈、轉向燈、日間行車燈）應用已十分普遍；隨著行業(yè)需求日益更新，LED作為前霧燈、遠近光燈等照明功能光源則亟待解決。由此可以看出，LED的應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，對于所有不是使用燈絲燈泡的裝置，點亮1min和30min時其發(fā)光強度測量應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%的功率會轉換為光，其余80%～90%的功率則仍會轉化成熱量。考慮到LED芯片尺寸較?。ê撩琢考墸?，如果這部分熱量積聚在LED內(nèi)部，LED芯片的熱密度會很高（以1W大功率LED為例，芯片內(nèi)部的熱密度可達109W/m3），這正是大功率LED散熱必須解決的關鍵問題之所在。 　　1 LED的特性差異 　　目前業(yè)內(nèi)使用的LED類型很多，其光學和熱學特性差異較大；即使是同品牌、類型相近的LED，其光學和熱學特性差異仍然很明顯。以OSRAM推出的LA W5SM和LY W5SM兩種型號LED產(chǎn)品為例，兩者均采用InGaA1P芯片技術，結點溫度均可達135℃，熱阻典型值為6.5K/W，但是兩者的光學特性與溫度的關系截然不同。圖1為光輸出比率（某結溫下的光輸出與25℃結溫下光輸出的比值）與結溫的關系曲線，隨著結溫升高，光輸出比率則降低，呈明顯的反比例關系。從圖中可以看出，當結點溫度同樣為60℃時，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，通過熒光，實現(xiàn)白光光色的色度學要求，結點溫度同樣只能做到135℃。圖2所示為LW W5SM光衰隨著結點溫度變化的曲線；結點溫度為60℃時，光輸出在90%以上。 　　由此可見，對于不同類型的LED，考慮到其不同的芯片技術和光學特性，其光衰特性差異很明顯，需要在選用LED時重點考慮其本身的特性差異。 　　2 PCB差異對LED散熱設計的影響 　　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。其中FR4常用為雙面板、單面板；鋁基板的散熱特性最好，但是線路較難布置。雙面板是比較好的選擇，散熱特性較好，同時雙面的銅層分布，線路排布比較容易。單面板是最原始的。柔性線路板是為滿足3D的線路板排布需求，也是因為目前對車燈的造型需求越來越高，柔性線路板自身散熱特性較差，通常需增加額外的散熱器進行散熱，而此時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。 　　線路板設計要綜合考慮成本、結構可行性和散熱特性，因此需要在結構設計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。下面介紹1種獲取LED線路板相關參數(shù)的試驗方法，實驗裝置如圖3所示。 　　針對以上4種不同類型的PCB，采用同樣的尺寸設計，在其中心焊上LED，調(diào)整LED輸入電流，恒流驅(qū)動，通過測量該電流下的光衰、以滿足15%以內(nèi)衰減值為標準進行實驗。15%的光衰標準是配光1min和30min都滿足法規(guī)要求的1個經(jīng)驗值。圖4所示為PCB外形和LED定位；表1列出LA W5SM、LYW5SM對4種不同的PCB，在沒有外置散熱器的情況下，光衰滿足15%時的輸入功率大小。結合PCB固定的面積大小，可以得出對應不同的PCB板對該款LED單位功率的散熱面積。在向后的設計中，針對不同的LED，為PCB種類的選擇和散熱面積的大小等設計方案提供參考，既滿足性能要求，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，滿足配光特性要求，并且滿足PN結結點溫度的限制，以滿足壽命要求；其間涉及到與它工作相關的PCB和PCB上元器件的熱量問題。 　　在LED燈具設計前期，涉及多個部門的工作，配光設計、電子電路設計、熱量分析、結構設計，這些部門的工作在前期需要相互協(xié)作。表1的作用就是在設計前期提供大家1個設計基準，為配光設計在LED選型、電子電路設計時電流的設定和PCB類型的選擇、為結構設計對PCB尺寸設定等工作提供參考。 　　在PCB數(shù)據(jù)、結構數(shù)據(jù)都確定后，會對LED燈體進行電腦輔助評估——CAE分析工作。首先是對結構數(shù)據(jù)、PCB及其元器件的簡化前處理，然后將數(shù)據(jù)導入分析軟件，進行網(wǎng)格劃分，建立數(shù)據(jù)模型。在對LED的數(shù)據(jù)轉化過程中，LED內(nèi)部的電路設計、散熱設計以及封裝的差異都不會體現(xiàn)，會根據(jù)LED實際的外形，將其簡化成1個方柱或者圓柱實體，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、設定邊界條件，然后求解穩(wěn)定狀態(tài)下的結果；也可進行1min和30min的瞬態(tài)結果模擬，通過1min和30min的溫度結果，結合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)層和導電層的材料屬性；對LED可以編輯熱阻大小，LED內(nèi)部熱設計特性的優(yōu)劣就體現(xiàn)在該參數(shù)上。設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置，需要盡可能地與實際相同，盡可能地降低模擬與實際情況的差異。 　　4 結束語 　　LED技術還在飛速發(fā)展、不斷更新，光學和熱學性能設計也將越來越好，對其在汽車車燈上的應用提供更好的支撐。作為LED的應用者，需要實時地更新自己的應用數(shù)據(jù)庫，積累經(jīng)驗，為前期設計提供好的參考；在軟件模擬的參數(shù)設置上，也同樣需要不斷積累、跟進，盡可能的減少與實際情況的差異，為LED燈具設計提供更好的熱量設計方案。（黃立敏 昌 進　星宇車燈股份有限公司，江蘇 常州 213022）