LED汽車前大燈散熱與光衰研究

敖卓強

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行釋放，所以導(dǎo)致大量熱量產(chǎn)生。因此需要加強LED前大燈的散熱技術(shù)的運用，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)部運用了均溫設(shè)計，燈泡輸出亮度不會因環(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拱雽?dǎo)體材料PN結(jié)溫溫度不斷提升，因散熱效果不理想會降低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LED的散熱的效果，是LED中光源設(shè)計的主要研究內(nèi)容。

針對前大燈的散熱技術(shù)，主要包括了主動和被動散熱兩種，其中被動散熱是在指在進行大功率LED電路板安裝時將其固定在散熱器上的一般散熱設(shè)計，當(dāng)LED開始工作時，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)的方式進行整體熱量的傳遞；采用液冷方式，需要在泵帶動下，使液體進入強制循環(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、造價較低。另外對于被動散熱的方式中，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)扇強制的方式，使對流增強，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，會在雙面敷銅層的印制板上進行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、機殼、散熱，以及環(huán)境空氣。在進行LED熱傳導(dǎo)時，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)計分析

目前采用的LED光通量輸出較低，在進行LED車前大燈應(yīng)用時，需要對其配光要求和電學(xué)光學(xué)的整體穩(wěn)定性進行充分考慮，因此需要對前大的模組里所需的LED元件進行分析和確定，從而使車燈的整體需求得以有效滿足。在進行前大燈近光設(shè)計時，將散熱器與銅PCB基板進行緊密貼合并加以固定，能夠使性價比提升，同時使用更加簡便，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)動機艙內(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)殼上進行外置散熱器的設(shè)計，在汽車行駛時通常LED前大燈才會打開，通過發(fā)動機艙內(nèi)產(chǎn)生的強對流風(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)會進入一定氣流，當(dāng)氣流進入后再經(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。另外為了進一步增強空氣流動，可在散熱片背面進行風(fēng)扇的安裝，利用風(fēng)扇裝置進一步促進外界熱空氣與強制對流之間的有效交換，使散熱器熱量交換加速，流動的空氣能夠從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)上進行相關(guān)實驗，針對試驗中所出現(xiàn)的不同效果變化利用一定的線段點法進行記錄，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散熱的被動散熱器與采用強制對流的主動散熱器的散熱效果之間存在較大差異[4]。實驗主要針對車燈外殼環(huán)境溫度進行采集，并將其作為LED光源溫度，對車燈外殼進行溫度測試時，對不同環(huán)境溫度進行記錄，實現(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，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，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行研究中發(fā)現(xiàn)。LED會使光衰現(xiàn)象的加劇，直接影響發(fā)光效率，同時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。在實際應(yīng)用中通常運用多個LED芯片進行陳列，所以加強LED散熱架設(shè)計至關(guān)重要，能夠?qū)Y(jié)溫進行有效控制，使其使用壽命有效延長。