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LED车灯——大功率散热原理

金鉴实验室 2023-04-10 09:31 次阅读

伴随着汽车行业的蓬勃发展,过去仅在高端车型中配置漂亮且光学性能优越的大功率LED模组逐渐在大批A级车和售后市场中得到推广,尤其是随着车灯发光二极管(LED)光源的广泛使用,汽车前照灯大功率LED的大量装备是未来发展的趋势。所以透镜作为外饰灯具的主力军,在灯具设计阶段大功率LED散热始终是关键任务。

大功率LED在汽车前照灯中主要应用在远近光功能上,从外观上可以大致分为反射式与透镜式两类。

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某车灯远近光模组的内部结构

但是不论反射式或透镜式外观形式与热学模型中相同,均透过金属基板使大功率LED所产生之热造成后方散热器,再利用散热器巨大的表面积向四周空气进行散热,其散热路径见下图:

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大功率LED的散热路径

下面就散热路径上的每个部件在散热工作机理做一些介绍:

1.LED

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LED的内部构造

许多人都感觉到LED作为热源对于整个热学模型起到了一种单纯的热源,就像卤素灯里的灯炮一样,并没有想到它对于散热会起到怎样的效果。其实不然,因为准确的来说LED中热源的部分是LED封装中间的晶圆部分,也就是常说的Junction。在Junction的温度导出到LED封装外侧时,就会体现出不同LED的性能。具体在LED的规格书中会有定义不同LED的junction到焊盘处的热阻信息,该值越小越能体现LED的散热性能好,特别是在大功率LED的应用下,该因素至关重要。

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LED规格书中对热阻的定义

2.PCB

PCB作为承载LED焊接与走线的主要载体,一要确保线路的排布,二要确保是否能达到电子器件散热要求,两者需同时具备。提到PCB的选择,我们必须要提FR4和金属基板这两种类型,前者具有便于走线和双面布线等优势,其劣势在于散热性能较差,很少应用于大功率LED中。

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FR4板中增加过孔提升散热性能

当然FR4板可以通过垂直方向的散热过孔将热量导入下端的铜箔,加大散热能力,但是由于过孔中铜箔含量很低,提升能力后仍然远不及金属基板,所以应用在小功率的情况下居多。

和FR4正好相反,大功率LED使用比较广泛的金属基板之一,铝基板使用比较广泛,它具有金属基材导热性高的优点,能在第一时间从热源导出热量,缺点是仅能单面安排线路,造价较高,为远近光此类大功率模组之优选方案。

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PCB散热示意图(左侧为FR4,右侧为金属基板)

由上面散热示意图不难看出金属基板之所以具有优越散热能力,其根源在于基材具有高导热性,因此较FR4更能增加底部热传导并更能充分利用PCB散热面积。

值得注意的是同样是金属基板,由于不同厂家绝缘层的配方及切片工艺的差异,也会导致其散热性能也有所差异。

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金属基板的结构示意图

3.导热硅脂/导热胶

由于实际产品在加工完成后,PCB与散热器之间的贴合面,微观上所贴合表面均为点接触,与设计中理想状态下的面与面之间的接触有很大不同。设计最初目的是从PCB将热量直接引入散热器基面,实际产品粗糙接触面造成大量空气充满接触面,这些空气构成阻热层使热流不能移动到散热器上,这时就需要一定的填充材料来排出两者间的空气,于是就出现了这些导热填充材料。

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微观上理想和实际的零件接触表面

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填充导热材料前后的热流走向分布

导热材料的工作机理都是一样的,但是根据不同产品的实际需求,市场上主要有三种不同的类型产品:

1.导热硅脂

导热硅脂使用最广泛,又称散热膏,导热膏等,属于高导热绝缘有机硅材料。导热硅脂导热率高、导热性优良、电绝缘性好、使用温度范围大、使用稳定性好、稠度小、施工性能优良。

在实际运用中主要应用在零贴的两个零件之间,尽可能的挤压出零件之间的空气间隙,达到最佳的热传导状态。但是众所周知含硅产品都离不开挥发的问题,到了一定使用寿命后,导热硅脂会固化产生间隙,导热性能大打折扣。

2.导热硅胶

导热硅胶的问世避免了导热硅脂蒸发的问题,还具有导热硅脂其他的优点。导热性能优良,固化导热系数达1.1-1.5W/mK,对电子产品散热系数有较高的保证。同时具有优越电气性和耐老化,抗冷热交变等特点,提高了产品使用寿命。具有一定粘接强度,特别是与电子元件,铝,PVC\PBT塑料附着力好,密闭性及粘接性好。因导热硅胶能固话,不会出现导热硅脂挥发龟裂等现象,适用于对产品使用寿命有所要求。

3.导热垫片

导热垫片具有一定的柔韧性、良好的绝缘性、压缩性、专门为利用缝隙传递热量的设计方案生产。能够填充缝隙,完成发热部分与散热部分的热传递。导热垫片多数用在灯具中的驱动电路板设计,及部分中功率FR4电路板,同时对电路保护有一定要求的情况。在远近光的发光模组中运用较少,因为大功率模组在热设计中尽可能减少间隙,不适用与导热垫片的使用。

4.散热器

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散热器应该是整个模组设计中最重要的环节,在这个设计环节中需要确认散热器工艺形式,散热器形状及评估是否需要配备风扇。下表介绍了常见散热器工艺差异。

除此之外,散热器设计中的叶片高度、长度、周围空气的流速都对LED模组的温度有一定影响。下面就图示经典散热器的关键尺寸简单分析各参数对散热性能的影响:

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典型的散热片设计

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从上图中可看到,散热面积随翅片高度增加而进一步扩大,而热源处温度则继续降低。但要注意温度变小并非线性,翅片高度超过80mm时温降变得极不明显。这时盲目提高翅片的高度毫无意义。

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在长度方向增加长度同样是增大了散热器的散热面积,达到一定的降温效果。但是到达一定长度后,温度有所升高。由于散热器处于自然对流状态时,空气流速由温差来推动,速度均较小属层流,由流体力学学习到的知识可知层流具有清晰的边界层,随散热器长度增大,边界层厚度不断积累,厚度到达翅片之间缝隙后空气就不能流通,散热性能却下降。因此,当设计过程中碰到长度方向较大的散热器时,通常都是将翅片以某一区间进行中断处理,使之边界层积累受阻,散热性能无法得到充分地发挥。

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最后一幅图就是温度和流速之间的关系,可见流速由0.5m/s变为3m/s时,温度将大幅度下降近50%,但随风速进一步增大,温降作用并不明显。由这一规律可得:车灯散热设计时是否有风扇存在的温度相差较大;风量规格不同的风扇,其温度差异也就没有质的区别。

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