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LED汽車頭燈的設(shè)計要點(diǎn)

發(fā)布時間:2008-10-10 來源:www.dzsc.com

中心論題:

  • 介紹LED在汽車上的用途
  • 滿足不同需求的LED封裝類型介紹
  • LED汽車頭燈應(yīng)
  • LED在頭燈應(yīng)用上遭遇的難題

解決方案:

  • 光學(xué)設(shè)計時需要注意視角與強(qiáng)度
  • 解決影響LED頭燈應(yīng)用的散熱問題


LED對于消費(fèi)者而言并不陌生,已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于車上,依照不同的效能需求選擇適當(dāng)?shù)模蹋牛漠a(chǎn)品,LED相較于傳統(tǒng)光源除了外型不同外,效能輸出與光型輸出亦大不相同,應(yīng)用于頭燈時將面臨光學(xué)設(shè)計與散熱設(shè)計等不同于傳統(tǒng)燈具之設(shè)計概念。然而也因其不同于傳統(tǒng)光源之特性,當(dāng)與車體成功整合克服技術(shù)難題后,將為車型開創(chuàng)嶄新的設(shè)計概念。
  
車上的LED
LED已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于車內(nèi)的相關(guān)照明或指示用光源,由圖1可知,從車內(nèi)的儀表板燈、車頂燈、化妝燈、迎賓燈等,到車外的尾燈、前后轉(zhuǎn)向燈、倒車燈、第三剎車燈等都可見到LED的相關(guān)應(yīng)用。


     
                  


從LED的應(yīng)用歷史來看,早在1992年時已經(jīng)有LED應(yīng)用于第三剎車燈上的先例;而在2000年時則進(jìn)一步的應(yīng)用于尾燈、轉(zhuǎn)向燈與剎車燈;到了2002年Audi A8率先將LED光源置于前置燈具內(nèi)作為日行燈,開啟了設(shè)計師與工程師們在前置燈具的想象空間。在之后的許多國際車展上都可以看到LED作為前照燈源的概念車,如圖2所示。
 


LED先天上就具有體積小的優(yōu)勢,應(yīng)用于前置燈具時更可縮小整組燈具的體積,進(jìn)一步讓出寶貴的引擎空間與其它相關(guān)設(shè)備,以現(xiàn)有的鹵素?zé)襞莼蚴欠烹娛綗襞菰O(shè)計的燈具總長約300mm,而在許多概念車的設(shè)計上,LED燈具只有125mm長。而藉由體積小的優(yōu)勢,更可以配合設(shè)計多款不同的造型設(shè)計,進(jìn)而為車體造型創(chuàng)造不同的視覺觀感,跳脫傳統(tǒng)燈具的圓形設(shè)計。
 


不同需求的LED封裝應(yīng)用
隨著應(yīng)用層面的不同,車廠也選用不同的LED光源封裝對應(yīng)不同的環(huán)境要求,依需求亮度不同可簡單分為指示用、照明用與投射用三種不同需求。指示用光源可見于第三剎車燈、尾燈組(尾燈、剎車燈、轉(zhuǎn)向燈等)、側(cè)燈等,其光源輸出流明值低,所需功率低,約在70mW ̄200mW,產(chǎn)生的熱量對于封裝體影響較小,因此在封裝上會忽略此熱量造成的影響,而直接利用樹脂類材料包覆整體以進(jìn)行封裝,而因為樹脂的熱傳導(dǎo)系數(shù)低(W/mK),所以其相關(guān)熱阻會因散熱不易而升高至50 ̄200K/W;而照明用光源其封裝功率會相對提高,除了可應(yīng)用于指示用光源類的產(chǎn)品之外,亦可用于亮度要求較高的日行燈、霧燈、前方向燈等,但也因為損耗功率增加(功率約在1 ̄5W),散熱部分不能如指示光源般不考慮散熱問題,除了樹脂類材料封裝外尚需利用金屬塊將熱導(dǎo)出以維持出光效率,其熱阻維持在15K/W以下;而投射用光源則是光源封裝亮度需求最高者,其應(yīng)用產(chǎn)品以前照系統(tǒng)(遠(yuǎn)燈、近燈、霧燈等)為主,其單體封裝需在4W以上,而在熱阻上需小于5K/W,以確保在引擎室的高溫下能維持散熱能力,并保持光源輸出效率在可用的范圍內(nèi)。
  
不同的應(yīng)用層面,其總亮度需求也隨之不同,以內(nèi)部照明而言大約需要80流明的亮度,一般選用表面黏著型(SMT)的封裝,單體封裝約2流明輸出,效率可達(dá)15 ̄20lm/W。以第三剎車燈而言大約需要30lm的亮度,一般選用炮彈型的封裝結(jié)構(gòu)(φ=5mm),單體封裝亮度約4流明,效率可達(dá)20 ̄40lm/W。
  
而尾燈組對于亮度需求約300 ̄500lm,一般選用1W的SMT封裝結(jié)構(gòu),單體封裝亮度約10 ̄20lm,效率可達(dá)15 ̄40lm/W。以上都是已經(jīng)應(yīng)用于車體的光源,而目前LED廠與車廠正積極合作,試著將LED導(dǎo)入前照系統(tǒng)(頭燈、霧燈)中,其中車廠對于頭燈的亮度需求約2000流明的白光,LED廠目前則應(yīng)用高瓦數(shù)的SMT?。蹋牛姆庋b架構(gòu),每單體封裝可輸出100 ̄200lm,效率預(yù)期提高至50 ̄100lm/W。
  
目前使用于車上的燈源可區(qū)分為白熾燈泡、鹵素?zé)襞荨怏w放電式燈泡與LED光源,其比較如圖4所示。
 


LED在頭燈的設(shè)計
開始著手設(shè)計頭燈之前,應(yīng)先考慮法規(guī)上的相關(guān)規(guī)定,包括光型亮度,環(huán)境測試,亮度衰減等需求,進(jìn)一步考慮相關(guān)光學(xué)設(shè)計,機(jī)構(gòu)設(shè)計,耐熱設(shè)計與電控設(shè)計等細(xì)節(jié),對于LED而言,光學(xué)設(shè)計的考慮除了反射罩設(shè)計之外,尚需考慮LED本身的出光光型,不同的封裝型態(tài)將產(chǎn)生不同的光型輸出,進(jìn)一步將影響反射罩或成像透競的要求,與傳統(tǒng)頭燈設(shè)計需考慮不同燈泡(H1、H4、H7、H11等)類似。在傳統(tǒng)的頭燈設(shè)計上,燈泡本身的光子釋放來自加熱鎢燈絲,不會因自身發(fā)出的熱或來自引擎室的高溫而影響亮度輸出,散熱重點(diǎn)落在整個頭燈腔體的均溫設(shè)計而非燈泡的散熱,但在頭燈材料的選擇上則需考慮是否可承受來自燈泡的高溫(頭燈腔體約承受100℃的溫度,霧燈腔內(nèi)溫度可高至300℃),所以在此選用的材料一般都以耐熱材為主;然而對于LED而言,其光子釋放來自于PN接口的能階跳動,與溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),溫度越高則光源輸出越弱,因此散熱成為LED作為光源設(shè)計的重要課題。


 
  

光學(xué)設(shè)計時先考慮法規(guī)需求,討論視角與強(qiáng)度關(guān)系,以近燈為例須針對其特殊的15度揚(yáng)角設(shè)計,如圖5所示。在傳統(tǒng)的燈具設(shè)計上由先期的利用反射罩配合透鏡刻紋作角度與強(qiáng)度的控制,演變成為利用反射罩直接控制強(qiáng)度角度,也發(fā)展出利用成像方式的魚眼透鏡設(shè)計法。不論何種的設(shè)計方式都須先考慮選用光源的特性,特別是角度與強(qiáng)度的光型輸出(Beam?。穑幔簦簦澹颍睿?,對傳統(tǒng)的光源而言,大多為柱狀光源,可產(chǎn)生類似蝴蝶外型的光型輸出,進(jìn)而發(fā)展出來與之搭配的透鏡、反射罩、擋板、透鏡等光學(xué)組件。而利用LED作為光源設(shè)計燈具時,需重新考慮其光學(xué)特性由傳統(tǒng)的柱狀光源變?yōu)槠矫婀庠矗ú煌姆庋b設(shè)計有不同的光型輸出),進(jìn)而搭配外部的光學(xué)組件而產(chǎn)生不同組合以應(yīng)用于不同產(chǎn)品,依照德國車燈大廠HELLA的設(shè)計分類,可將光源分為八大類,如圖6 所示。LED目前的單位面積發(fā)光量尚不及鹵素?zé)襞菖c放電式燈泡,想得到相同的流明輸出,LED需要較大的封裝面積。隨著光源輸出面積的增加,光學(xué)設(shè)計的難度也隨之提升,所以在現(xiàn)有的概念車上,都以模塊化光學(xué)設(shè)計取代既有的單一燈室設(shè)計,利用多組燈源達(dá)到傳統(tǒng)燈具的照明水平,除了降低光學(xué)設(shè)計的難度,也增加車體造型的設(shè)計感。


 
  

 

散熱設(shè)計是LED光源區(qū)別于傳統(tǒng)光源的課題之一。傳統(tǒng)燈具產(chǎn)生的熱遠(yuǎn)高于LED,但傳統(tǒng)燈具不會因為高溫而降低其光源輸出能力,但LED的光輸出卻會隨著本身接口(Junction,?。校谓涌冢囟鹊纳叨陆担鐖D8所示。而其產(chǎn)生的熱如何散除到外界環(huán)境與其封裝結(jié)構(gòu)材料息息相關(guān),牽涉到使用的散熱材料與相關(guān)外型,關(guān)系如圖9所示,其中熱阻的概念,代表輸入W功率時,需要提高多少K溫度才足以散熱。以現(xiàn)有的封裝技術(shù)最高可允許LED操作在185℃(Lumiled?。耍玻?,但一般因為封裝膠材的關(guān)系,可允許的操作溫度約在125℃,除了考慮光源輸出效率之外,亦考慮封裝膠材的變質(zhì)(樹脂類材料在高溫有老化現(xiàn)象)。
 

引擎室的溫度在燈具附近最高可到85℃,配合Lumiled?。耍部捎校保埃啊娴纳峥臻g,但若配合一般的LED則只有40℃的散熱空間,觀察相關(guān)熱阻,R_Junction-Slug、R_Slug-Board都決定于封裝體,對設(shè)計者而言只能針對R_Board-Ambient努力,其中包括如何將封裝體固定于散熱基板上(接著質(zhì)量)、散熱結(jié)構(gòu)外型設(shè)計、主被動散熱考慮與外部環(huán)境等條件。因此在此處應(yīng)該與機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)模擬設(shè)計,取得燈具在引擎室內(nèi)的流場與溫度條件后再考慮所需的散熱模式,若選用被散動熱得需要較大的散熱空間,對引擎是而言是不小的負(fù)擔(dān),若選用主動式散熱,雖然所需散熱環(huán)境較小,但因為增加了風(fēng)扇等可動件,反而需考慮此可動件可否通過車燈上的相關(guān)法規(guī),包括震動、粉塵、腐蝕與濕氣等嚴(yán)苛環(huán)境。
 

LED在頭燈應(yīng)用上遭遇的難題
LED應(yīng)用于頭燈上在許多的車展上各家車廠都有展示相關(guān)的概念車,但在頭燈部分尚未看見有成品出現(xiàn),仍有需多問題尚待解決。其中主要問題應(yīng)在于亮度輸出、散熱問題與誤差設(shè)計。
  
頭燈的亮度需求近燈900流明,遠(yuǎn)燈1100流明,整體需求2000流明,約是Lumiled生產(chǎn)40顆1W封裝體Luxeon emitter在25℃的總光源輸出,但當(dāng)其外界溫度升高至50℃時,其效率將降至80%以下,且其光源輸出面積約90_2(氣體放電式燈泡約13_2),設(shè)計難度亦隨之提升。
  
在LED產(chǎn)業(yè)中,應(yīng)對磊晶造成芯片的不均勻而發(fā)展出所謂的分類銷售的過程,特別是高瓦數(shù)的芯片在LED產(chǎn)業(yè)上是全檢出貨,依照波長亮度進(jìn)行分類,也因此封裝后的個體存在著細(xì)微的差距,此差距可能存在于亮度、色溫或是可靠度上。然而應(yīng)用LED于頭燈時,不可避免會利用多顆芯片以輸出足夠亮度進(jìn)行光學(xué)設(shè)計,此時需特別注意LED質(zhì)量檢測與質(zhì)量控制的環(huán)節(jié),以確保相同質(zhì)量的光源輸出。
  
結(jié)語
自2003年以降,超過13家以上的車廠在相關(guān)車展上展出以LED頭燈為訴求的概念車。例如,Lexus車廠發(fā)布消息,在2007年中將推出一款以LED為頭燈的量產(chǎn)車。相信存在于LED的相關(guān)工程問題將在消費(fèi)者的殷殷期盼下一一解決,且讓我們拭目以待。

 

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