光導(dǎo)型LED晝間行車燈的熱學(xué)管理

基于LED的特性，LED的輻射光能量完全取決于驅(qū)動電流和結(jié)溫。因此良好的熱學(xué)管理系統(tǒng)是LED應(yīng)用發(fā)揮良好性能的前提。在汽車光導(dǎo)型晝間行車燈應(yīng)用領(lǐng)域，由于微小的光源空間尺寸和較低效光學(xué)系統(tǒng)的約束，必須使用高功率LED而導(dǎo)致熱量的集中。因此，良好的熱學(xué)管理方案必須被采用在光導(dǎo)型晝間行車燈應(yīng)用中。

　　本論文采用歐司朗光電半導(dǎo)體QFN封裝LED KWH2L531.TE作為光源，考慮了高性能的熱學(xué)管理系統(tǒng)。對多種PCB的熱學(xué)性能進行了比較，分析了散熱器的影響，著重強調(diào)PCB材料的選擇以及散熱器設(shè)計的重要性。

　　光導(dǎo)型晝間行車燈介紹

　　光導(dǎo)是一種基于光的全反射原理的導(dǎo)光器件，當(dāng)光從光密介質(zhì)傳輸?shù)焦馐杞橘|(zhì)時，根據(jù)斯涅爾定律和全反射定律可知，當(dāng)入射角大于臨界角時，光不會通過光密介質(zhì)出射到光疏介質(zhì)，而是在兩個介質(zhì)的分界處發(fā)生了全反射現(xiàn)象；因此當(dāng)光在光導(dǎo)（光密介質(zhì)）中以大于臨界角傳輸時，發(fā)生全反射現(xiàn)象使得光在光導(dǎo)中不斷向前傳輸，若在光導(dǎo)表面做一些波紋或鋸齒結(jié)構(gòu)的處理，破壞光的全反射條件，使得一部分光逸出導(dǎo)光管，通過調(diào)節(jié)波紋和鋸齒就能實現(xiàn)光導(dǎo)表面均勻的亮度分布；由于光導(dǎo)的效率相對反射器和透鏡較低，根據(jù)光導(dǎo)的形狀不同，效率也不同。要實現(xiàn)ECE R87的DRL最低400cd要求，通常一根光導(dǎo)需要500lm左右的光通量，根據(jù)目前LED的效率，至少需要兩顆芯片來實現(xiàn)。由于光導(dǎo)直徑通常只有6mm到8mm，因此對LED顆粒的尺寸要求很高，目前各LED大廠都發(fā)布了小尺寸封裝(圖1)，在700mA電流下，每顆芯片能達(dá)到200lm左右；所以通常需要兩顆單獨的LED顆粒而且在加大電流的條件下才能實現(xiàn)；

　　歐司朗光電半導(dǎo)體最新的QFN封裝LED KWH2L531.TE（圖2），單顆額定功率6.5W，最大驅(qū)動電流為1.2A，最高工作結(jié)溫150℃，短時間工作可以達(dá)到175℃，因此特別適合對溫度要求較高的前向燈中應(yīng)用。該LED兩顆芯片封裝在一起，芯片間距只有0.1mm，相比用兩顆單獨LED的方式極大的減小了間距，可以提高光導(dǎo)的耦合效率。目前KWH2L531.TE 在驅(qū)動電流1A，25℃條件下，可以達(dá)到560lm；即使考慮光衰，一顆LED就可以實現(xiàn)單根光導(dǎo)日間行車燈的要求，但由于芯片比較集中，導(dǎo)致熱量聚集，所以對整個系統(tǒng)的散熱性能要求較高。本文以歐司朗KWH2L531.TE LED為例，著重從散熱角度出發(fā)，對整個散熱系統(tǒng)的性能進行了分析和比較，對光導(dǎo)型DRL的散熱系統(tǒng)給出了合適的建議。

圖1 LUW CEUP

圖2 KWH2L531.TE

　　光導(dǎo)型晝間行車燈散熱系統(tǒng)的分析　　光導(dǎo)型晝間行車燈散熱系統(tǒng)的分析

　　基于KWH2L531.TELED光導(dǎo)型晝間行車燈系統(tǒng)（如圖3）包括光學(xué)器件（光導(dǎo)），LED以及散熱器件（圖4）。

圖3 光導(dǎo)晝間行車燈系統(tǒng)

圖4 晝間行車燈散熱系統(tǒng)

　　所以PCB和散熱器將是影響整個散熱系統(tǒng)的主要因素，為了簡化分析，并且得到更直觀的比較，將PCB和散熱器分別進行獨立的分析和比較。

　　光導(dǎo)型晝間行車燈散熱設(shè)計需要考慮的因素

　　1）PCB設(shè)計

　　對于一顆熱流密度高，單顆功耗達(dá)到6.5W的 LED來說，選擇金屬基板的PCB是必要的。目前市場上金屬基板PCB有兩種，分別為鋁基板和銅基板，但是基于成本和實際LED熱量考慮，銅基板不在本論文中被采用。鋁基板通常由三層組成（如圖5）：導(dǎo)電層（銅），絕緣層（環(huán)氧混合導(dǎo)熱材料）以及襯底鋁層。

圖5 鋁基板

　　在整個PCB組成材料中，絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)通常較鋁和銅低很多，一般在0.35w/m.k~3.0w/m.k之間，所以絕緣層材料的導(dǎo)熱性能直接決定了整個PCB的性能，通常也直接決定了PCB的板材價格。

　　如圖6所示，將PCB獨立分析，銅皮厚度設(shè)定為35um，PCB背面設(shè)定為25℃恒定溫度并給與無限大對流，僅考慮熱傳導(dǎo)，LED熱功耗為5.2W。選擇了三種典型PCB材料（圖7）進行分析，得到（圖8）的結(jié)果。

圖6 PCB分析設(shè)定

圖7 三種不同的PCB絕緣層性能比較

圖8 三種不同絕緣層溫度分布及熱阻比較

　　如圖8所示，導(dǎo)熱系數(shù)為0.35W/m.k，厚度為75um的PCB相比導(dǎo)熱系數(shù)3.0W/m.k，厚度38um PCB，熱阻高了近8K/W，引起的溫升為43℃。通過圖9，可以很明顯發(fā)現(xiàn)，這足以導(dǎo)致兩則光衰差10%以上，甚至出現(xiàn)顏色漂移等現(xiàn)象。通常來說，絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)高且厚度薄能夠極大程度的降低PCB的熱阻，但是價格也會隨之成倍增加，因此對于LED KWH2L531.TE，若有散熱器空間尺寸限制或有高光通量的要求，通常需要采用高性能的PCB，若要權(quán)衡價格和性能，一般建議采用絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)在2.0W/m.k左右，厚度為75um的鋁基板。

圖9 KWH2L531.TE光通量及顏色隨溫度變化曲線

　　2）散熱器設(shè)計

　　對于光導(dǎo)型晝間行車燈散熱器的設(shè)計，通常有兩種方法：散熱器外置和內(nèi)置方式，本論文基于圖3，直徑為55mm，翅片高度35mm的鋁擠型散熱器，采用導(dǎo)熱系數(shù)為2.2W/m.k，絕緣層厚度為75um的PCB，對散熱器內(nèi)外置兩種方式進行了對比分析。

圖10 散熱器外置溫度分布圖

圖11 散熱器內(nèi)置溫度分布圖

　　從圖10，圖11得到，基于同樣的散熱器尺寸和PCB性能，當(dāng)散熱器外置時，RthJA（結(jié)點到環(huán)境熱阻）為10.7K/W，LED結(jié)溫為106℃；當(dāng)散熱器內(nèi)置時，RthJA為15.1K/W，LED結(jié)溫為125℃。因此外殼引起的熱阻差異到達(dá)4.4K/W，結(jié)溫相差19℃。所以在實際散熱系統(tǒng)設(shè)計中，若散熱器能夠外置，可以做的相對較小或可以選擇成本更低的PCB來實現(xiàn)相同的結(jié)溫和光通量。

　　綜合上述的因素，PCB板性能和散熱器的設(shè)計直接影響了LED的表現(xiàn)。

　　總結(jié)

　　本文主要介紹了利用OSRAM KWH2L531.TE LED光導(dǎo)型DRL的散熱設(shè)計以及分析討論了影響散熱設(shè)計的兩個主要因素，PCB材料選擇和散熱器設(shè)計。根據(jù)光導(dǎo)型DRL實際應(yīng)用能夠提供的空間，選擇合適的PCB及散熱器放置方式，能夠使LED發(fā)揮高效的表現(xiàn)。