浅谈LED车灯-散热设计

摘要：开始着手设计头灯之前，应先考虑法规上的相关规定，包括光型亮度，环境测试，亮度衰减等需求。例如法规GB4785-2007中明确指出，对于所有不是使用灯丝灯泡的装置，点亮1min和30min时其发光强度测量应符合附表中最大值和最小值的要求。究其根因是LED本身特性决定的，LED结温越高，光输出则越小。散热设计是LED光源区别于传统光源的课题之一。

传统头灯的设计中，灯泡自身光子的释放是通过加热钨灯丝来实现的，并不因为自身散发的热量或者从引擎室散发的热量过高就会对亮度输出造成影响，散热的重点落到了整个头灯腔体均温设计上，而不是灯泡散热设计上，但是在头灯材料选择时需要考虑能否承受灯泡产生的高温（头灯腔体大约要经受100°C的高温，而雾灯腔体的高温可达到300°C）。因此这里所选择的材料通常是耐热材。

对LED来说，尽管LED总体功率低，辐射热量远小于灯丝灯泡光源，而且随着LED技术的发展目前已经可以将50%左右的功率转换为光线，但是剩余50%的功率还是会转化为热量。鉴于LED芯片体积小（毫米量级），若该部分热量聚集在LED内，则LED芯片热密度将非常大，同时其光子释放源于PN接口能阶跳动并和温度呈负相关，且温度越高光源输出越微弱。这也恰恰是大功率LED散热过程中必须要处理好的重点问题。

当前行业内应用的LED种类繁多，光学及热学特性也千差万别；即使在同一品牌，型号相似的LED中，光学与热学特性的区别也十分明显。对不同型号LED而言，鉴于各自芯片技术及光学特性的不同，光衰特性的差别是显而易见的，因此在选择LED时需着重关注自身特性的差别。

另外，PCB差异对LED散热设计也有影响。目前常用PCB通常有4种，按材质区分为3类：铝基板线路板MCPCB、FR4板、柔性线路板FPC。线路板设计要综合考虑成本、结构可行性和散热特性，因此需要在结构设计初期提供有一定参考意义的散热要素。其中包括：线路板材料、线路板面积、散热器材料、散热器面积。

对LED进行热量分析的工作主体就是LED,就是要确保LED具有稳定光输出和符合配光特性，同时要符合PN结结点温度约束才能达到寿命；这中间就牵涉到与其工作有关的PCB以及PCB上元器件发热。LED灯具设计的早期阶段涉及到很多部门工作，如配光设计，电子电路设计，热量分析和结构设计等，这几个部门之间的工作都是需要前期互相配合完成的。

在PCB数据、结构数据都确定后，会对LED灯体进行电脑辅助评估——CAE分析工作。首先是对结构数据、PCB及其元器件的简化前处理，然后将数据导入分析软件，进行网格划分，建立数据模型。在对LED的数据转化过程中，LED内部的电路设计、散热设计以及封装的差异都不会体现，会根据LED实际的外形，将其简化成1个方柱或者圆柱实体，尺寸符合LED的外形大小。

数据模型完成后，需要在分析软件中完成对所有元件赋材料属性、设定边界条件，然后求解稳定状态下的结果；也可进行1min和30min的瞬态结果模拟，通过1min和30min的温度结果，结合LED的光输出—温度特性曲线，了解该光衰下配光能否满足要求。在分析软件中，有对应的PCB和LED等元件的材料属性可供选择，并且有参数可以编辑。对PCB可以编辑电介质层和导电层的材料属性；对LED可以编辑热阻大小，LED内部热设计特性的优劣就体现在该参数上。设定边界条件涉及到元器件的功率大小、环境温度以及边界对流换热系数等参数。在分析软件中的所有设置，需要尽可能地与实际相同，尽可能地降低模拟与实际情况的差异。

在现实中,LED所产生的热量是如何散送到外界环境中去，这和其封装结构材料有着密切的关系，这就涉及到所用散热材料及有关外型问题。就目前封装技术而言，最多可以使LED在185°C下运行，但是通常由于封装胶材等原因可以使运行温度达到125°C左右，除光源输出效率外，还需考虑封装胶材质量问题（树脂类材料存在高温老化）。

引擎室的温度在灯具附近最高可到85℃，观察相关热阻，R_Junction-Slug、R_Slug-Board都决定于封装体，对设计者而言只能针对R_Board-Ambient努力，其中包括如何将封装体固定于散热基板上、散热结构外型设计、主被动散热考虑与外部环境等条件。因此在此处应该进行相关模拟设计，取得灯具在引擎室内的流场与温度条件后再考虑所需的散热模式，若选用被散动热得需要较大的散热空间，对引擎而言是不小的负担，若选用主动式散热，虽然所需散热环境较小，但因为增加了风扇等可动件，反而需考虑此可动件可否通过车灯上的相关法规，包括震动、粉尘、腐蚀与湿气等严苛环境。

LED技术仍在快速发展，持续更新，光学与热学性能设计会越来越完善，为它在汽车车灯中的运用提供了较好的支持。作为LED应用者有必要对其应用数据库进行实时更新，并不断累积经验以便对前期设计起到良好借鉴作用；在软件模拟中参数设置方面，同样要不断地累积，后续，尽量缩小与现实之间的差距，从而为LED汽车灯具提供更优质的热量设计方案。