LED汽车大灯光源设计的关键因素分析

2018-12-12贺捷

时代农机 2018年10期

贺捷

（同济大学，上海 200092）

LED灯具有小巧、坚固、节能环保、使用寿命长、智能化等优点，将其应用在汽车工业制造领域，满足人们对汽车安全、舒适、节能环保要求。然而由于LED灯耐温性能比较差，对工作电压的稳定性要求比较高，所以使得LED应用在汽车工作环境下的设计带来一定的难度。因此，如何选择正确的光源，采取有效的散热措施和控制电压稳定成为LED汽车大灯设计的难点和重点。

1 发光二极管概述

发光二极管简称LED，是一种结型电致发光元件，将电能转化为光能。发光二极管由PN结组成，当发光二极管一端施加正向电压时，P区注入到N区的空穴和N区注入到P区的电子，在PN结附近分别于N区的电子和P区的空穴复合，产生辐射的荧光、不同的半导体材料中电子和空穴的能量不同，则电子和空穴释放的能量也不同，释放的能量越多，则发出的光波长越短。LED灯只能往一个方向通电，叫做正向偏压，电流流过二极管时，电子和空穴在内复合发出单色光，光线的波长、颜色和半导体材料以及掺入元素杂质有关。发光二级管具有工作电压低、电流小、抗冲击强、可靠性高，通过微弱的电流就可以调制光线的强弱，因此LED灯应用在汽车大灯中，在提高照明效果的同时，降低了灯光的能耗。在工业汽车领域中得到了应用，2008年奥迪首次在A4车型的汽车中安装LED大灯，开启了LED汽车大灯时代。目前LED灯只应用在比较高端的豪华汽车品牌中，一般价格低于20万的汽车很少安装LED大灯。

2 LED汽车大灯光源设计方案

（1）散热问题。汽车LED大灯的功率比较高，但是大功率的LED灯光光电转换效率比较低，只有10%～25%的电能可以转换为光能，其余的电能全部转换为热能。而汽车大灯一般安装在汽车的发动机舱内，水箱、引擎以及排气系统运行过程中会产生大量的热量，导致整个发动机舱的温度很高。LED大灯长期在这样的环境下运行，会影响到发光效率和使用寿命。LED灯一般需要焊接到电路板上，然后紧固在散热器进行散热。LED灯运行产生的热量，经过电路板传递到热传导效率好的铝质撒热气器上，散热器和空气接触后将热量散开。但是由于电路板本身就是导热材料，所以影响到整个散热器的散热效果。传统的LED电路板一般使用FR4材料，这种材料的导热系数比较低，导热系数只有0.5～0.4 W/m-k因此需要使用新型的电路板材。目前市场上的92ML板材采用环氧树脂，导热系数只有2.0 W/m-k。这种材质的电路板材可以降低汽车大灯的结点温度，从而提高LED大灯的使用寿命。因此，散热问题是LED汽车大灯光源设计的重点也是难点。通过热学观点分析LED大灯的前照明系统的可行性。LED大灯作为发光发热的元件，其P-N结的温度（Tj）不能超过绝对额定值。目前绝对额定值（Tjmax）大约是120℃，自然风冷无法达到这个要求。假设单个LED灯的输入功率是PLED=2W，12个LED需要消耗PLAMP=24 W，那么LED的热阻为Rthhs-a=15℃/W，散热器体积为400cm2，由铝和黑色明矾构成材料热阻Rthj-hs=1.5℃/W，LED大灯后方的散热片周围的温度在70℃左右。综合上述计算模型，可以得到以下结果，周边的温度是Ta=70℃，散热器的温升dThs=PLAMP×Rthhs-a=24W×1.5℃/W=36℃，芯片温升dTj=PLED×Rthhs-a=2W×15℃/W=30℃。由此得出P-N的温度=Ta+dThs+dTj=70+36+30=136℃，超过了绝对额度值，需要采取强制冷却手段。

（2）LED大灯亮度。汽车大灯照明系统中，近光束灯光亮度为2000～30000 cd光强度，远光束灯大于50000 cd光强。汽车大灯的亮度取决于所有照明系统的单个发光体的光强度。在设计汽车大灯的时候，必须充分考虑到光线在各个光学元件的反射和传输过程中光强度的衰减情况。根据汽车照明系统光在各个光学元件的衰减度在25%～40%。在设计过程中，要考虑形成漫射光线以及考虑系统其它元件的性能，所以表面面积的数值必须达到原来数值的2～3倍。当前LED灯最大亮度是4cd/mm2，无法满足汽车大灯需求。因此，考虑到前照灯的实际情况，近光束的亮度需要提高2倍，远光束需要提高3倍，2个LED灯搭配38×94 mm的反射器就可以达到汽车照明的要求。

（3）选择合适的LED照明光源。LED的汽车大灯亮度高、投射距离远等优点，因此逐渐替代了卤素等和氖气灯。大功率的陶瓷基LED照明光源具有常规LED照明光源无法比拟的优势，由于陶瓷基板热阻低、发光效率高，因此目前大部分汽车大灯使用陶瓷基的LED光源。大功率陶瓷基的LED光源属于小尺寸、大电流、可靠性强的光源。目前市场上常见的有CREE系列的XHP35、XHP50、XHP70等等。由于大功率陶瓷基LED具有常规LED透镜效果，发光效率比其他材质的LED灯更高。然而陶瓷基LED受到封装形式影响，陶瓷基内部芯片只能采取方形布置，在透镜作用下，发光区域为圆形。大功率陶瓷基LED灯安装在汽车大灯以后，光源容易受到陶瓷基板的影响，会产生一定的杂散光和炫光。还需要进一步对其进行完善，或者研究线性更好的LED光源。随着汽车生产技术的进步，目前，一些中高档汽车开始使用矩阵式的LED大灯，这种大灯安装了智能开关，可以对汽车大灯进行智能调控。见表1。

通过对上述两种不同的LED光源进行比较，发现陶瓷基板LED灯光可以实现汽车大灯高亮度、高效率的要求，且价格相对比较低廉，适合中低端汽车。矩阵LED大灯可以实现智能控制，自动调节光亮，安全性能比较高，但是价格比较高，适合高端车辆的设计选型。