車用LED燈源應(yīng)用與設(shè)計(jì)

汽車上的燈光系統(tǒng)不但讓駕駛者能實(shí)際了解汽車的狀況，更提供了安全駕駛過(guò)程中，所必須兼具的條件。而新一代的光源－LED，這對(duì)許多消費(fèi)者來(lái)說(shuō)一點(diǎn)也不陌生，甚至已進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用于汽車上，并根據(jù)各個(gè)應(yīng)用面對(duì)于效能的不同需求，選擇適宜的LED產(chǎn)品?；旧希捎贚ED與傳統(tǒng)的光源除了在外型上的差異之外，光形與效能輸出也有很大的差異，因此，要將LED完善地應(yīng)用在汽車頭燈上，包括光學(xué)設(shè)計(jì)與散熱設(shè)計(jì)等，將與傳統(tǒng)汽車燈具的設(shè)計(jì)概念有所不同。一旦汽車能與LED成功地進(jìn)行整合，并克服技術(shù)門(mén)坎之際，將可為汽車設(shè)計(jì)開(kāi)創(chuàng)出嶄新的設(shè)計(jì)原理。

汽車上的燈光控制系統(tǒng)

從周遭的汽車上，可以看到LED已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到汽車上，包括：轉(zhuǎn)向指示燈源、顯示或者是車內(nèi)相關(guān)照明，如汽車顯示儀表板、車頂照明燈，到車外的尾燈、前后指示燈、倒車燈、第三剎車燈等，或多或少都能見(jiàn)到LED在汽車燈源的相關(guān)應(yīng)用。從系統(tǒng)的角度來(lái)說(shuō)，汽車上的燈光控制是汽車主體控制架構(gòu)中的一個(gè)子系統(tǒng)，主要包括：車門(mén)控制與儀表板顯示系統(tǒng)，而基本架構(gòu)則是收集車上各個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)量，并進(jìn)一步視其狀態(tài)來(lái)對(duì)車上燈源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并負(fù)載所需動(dòng)作的電能。

由此可見(jiàn)，汽車主體控制系統(tǒng)控制必須是依照不同功率需求的燈源進(jìn)行設(shè)計(jì)。換個(gè)角度，從LED在汽車上的應(yīng)用來(lái)看，雖然LED在第三剎車燈的應(yīng)用，到汽車尾燈、轉(zhuǎn)向燈到剎車燈，甚是在幾年前已將LED光源設(shè)置在車內(nèi)作為照明之用，一步步開(kāi)創(chuàng)了LED作為車內(nèi)外照明之用的想象空間。

不同的應(yīng)用需求下　必須有不同的LED封裝技術(shù)

不同的LED組件有著不同的應(yīng)用途徑及環(huán)境范圍，因此封裝方式也有其差異，倘若LED的芯片及封裝技術(shù)能夠進(jìn)一步提升，產(chǎn)品亮度更可提高一倍。當(dāng)隨著應(yīng)用層次的不同，汽車中心廠必須要選擇不同LED光源與封裝技術(shù)，才能面對(duì)車上各個(gè)不同的環(huán)境要求。一般來(lái)說(shuō)，LED在汽車工業(yè)方面的應(yīng)用，乃是根據(jù)亮度的差異，將其簡(jiǎn)單歸類為，指示燈號(hào)用、投射光源用與照明光源等三種不同類型的需求列示如下：

?指示燈號(hào)的應(yīng)用－由于此范圍所使用的LED光源流明值需求不高，其消耗功率也較低（約為70～200mW），所生成的熱源對(duì)封裝體的影響較小，所以許多廠商在設(shè)計(jì)封裝時(shí)，往往會(huì)忽視掉熱源可能會(huì)導(dǎo)致的后果，因此，大部分是采用樹(shù)脂類的材料直接將LED整個(gè)包覆起來(lái)，再進(jìn)行封裝的動(dòng)作，也因?yàn)闃?shù)脂類的材料對(duì)于熱的傳導(dǎo)系數(shù)較低（W/mK），容易產(chǎn)生散熱不佳的情況，使得LED組件與散熱系統(tǒng)之間的接口熱阻系數(shù)，會(huì)因此而提高。

?車內(nèi)照明光源應(yīng)用－除了上述所應(yīng)用車內(nèi)指示燈源之外，還可用于亮度要求較高的車內(nèi)照明、霧燈與前后方向指示燈。因?yàn)榱炼刃枨筇岣?，其封裝功率也必須相對(duì)提升。不過(guò)，如此一來(lái)，LED很容易就會(huì)因?yàn)楣β试黾佣绊懙缴仕p問(wèn)題，因而不得不將散熱問(wèn)題納入考慮的重點(diǎn)。在封裝設(shè)計(jì)上，除了可以使用樹(shù)脂類的材料封裝外，還可以設(shè)計(jì)一金屬塊能在第一時(shí)間便將LED所產(chǎn)生的熱源導(dǎo)出，以便維持LED的發(fā)光效率與熱阻問(wèn)題。

?汽車投射燈源應(yīng)用－這是目前在LED在汽車應(yīng)用上封裝亮度要求最高的一樣，以前照明系統(tǒng)為主，包含了霧燈、近燈、遠(yuǎn)燈，單個(gè)體的封裝必須達(dá)到4W以上，而熱阻則必須小于5K/W，才能在高溫的環(huán)境下，正常維持LED主體的散熱能力，保持LED光源的輸出效率在規(guī)定范圍內(nèi)。

不同的應(yīng)用層面　對(duì)于亮度需求也有所不同

基本上，以流明亮度的需求來(lái)看，一般在汽車內(nèi)部所使用的照明設(shè)備大約需要80流明的亮度，大多采用表面黏著型（Surface Mount Technology；SMT）的封裝方式，單體封裝約為2流明輸出之多，其發(fā)光效率則可以達(dá)到15～20lm/W之間。其次，車用的第三剎車光源則約略需要30流明的亮度，一般采用直徑5mm的炮彈型（Lamp）封裝技術(shù)，藉以加強(qiáng)設(shè)計(jì)光照角度及強(qiáng)度，再透過(guò)樹(shù)脂透鏡安裝在發(fā)光組件上，而達(dá)到對(duì)光的調(diào)節(jié)，其單體封裝亮度約4流明，發(fā)光效率則可達(dá)20～40lm/W。至于，汽車尾燈對(duì)于亮度的要求，約在300～500流明之間，一般采用1W的SMT封裝技術(shù)，單體封裝亮度約10～20流明，效率可達(dá)15～40lm/W。

以上是安裝在汽車上實(shí)際作為車體的光源量測(cè)數(shù)據(jù)，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(duì)于頭燈的亮度需求約2,000流明的白光，LED廠目前則應(yīng)用高瓦數(shù)的SMT LED封裝架構(gòu)，每單體封裝可輸出100～200流明，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?、氣體放電式燈泡與LED光源。

如何開(kāi)始著手LED汽車頭燈設(shè)計(jì)

?規(guī)范要求

開(kāi)始著手設(shè)計(jì)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(cè)試、亮度衰減等需求，進(jìn)一步考慮相關(guān)光學(xué)設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，耐熱設(shè)計(jì)與電控設(shè)計(jì)等細(xì)節(jié)，對(duì)于LED而言，光學(xué)設(shè)計(jì)的考慮除了反射罩設(shè)計(jì)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(jìng)的要求，與傳統(tǒng)頭燈設(shè)計(jì)需考慮不同燈泡（H1、H4、H7、H11等）類似。

在傳統(tǒng)的頭燈設(shè)計(jì)上，燈泡本身的光子釋放來(lái)自加熱鎢燈絲，不會(huì)因自身發(fā)出的熱或來(lái)自引擎室的高溫而影響亮度輸出，散熱重點(diǎn)落在整個(gè)頭燈腔體的均溫設(shè)計(jì)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(lái)自燈泡的高溫，如汽車頭燈腔體約承受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(duì)于LED而言，其光子釋放來(lái)自于PN接口的能階跳動(dòng)，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L(zhǎng)ED作為光源設(shè)計(jì)的重要課題。

?光學(xué)設(shè)計(jì)

光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)其特殊的15度揚(yáng)角設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)的燈具設(shè)計(jì)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(yú)眼透鏡設(shè)計(jì)法。不論何種的設(shè)計(jì)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 pattern），對(duì)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(lái)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(jì)燈具時(shí)，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?，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(guó)車燈大廠HELLA的設(shè)計(jì)分類，可將光源分為八大類。

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(jì)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(jì)取代既有的單一燈室設(shè)計(jì)，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(jì)的難度，也增加車體造型的設(shè)計(jì)感。

由于LED的輸入電能約有90%的轉(zhuǎn)換熱能必須排出，這遠(yuǎn)比傳統(tǒng)燈源要來(lái)的高上許多；另外，LED晶粒歸類于半導(dǎo)體材料，不能耐高溫（＜120°C），由晶粒至大氣的排熱只容許約50°C溫差，更是遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)燈泡，因此，散熱設(shè)計(jì)是LED光源區(qū)別于傳統(tǒng)光源的課題之一，再加上燈具不能使用風(fēng)扇散熱，而且燈具產(chǎn)品要能推廣到汽車市場(chǎng)普及，還得要進(jìn)一步考慮到外觀造型與燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)原理，這將是高功率LED照明設(shè)備極為困擾的問(wèn)題。

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)所使用的燈具所產(chǎn)生的熱源其實(shí)遠(yuǎn)高于LED；不過(guò)，傳統(tǒng)燈具不會(huì)因?yàn)楦邷囟档推涔庠摧敵瞿芰Γ琇ED的光輸出卻會(huì)因?yàn)楸旧斫涌趩?wèn)題，使LED的發(fā)光