LED汽車頭燈的設計要點
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15 ̄40lm/W。以上都是已經(jīng)應用于車體的光源,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、鹵素燈泡、氣體放電式燈泡與LED光源,其比較如圖4所示。
LED在頭燈的設計
開始著手設計頭燈之前,應先考慮法規(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,進一步考慮相關(guān)光學設計,機構(gòu)設計,耐熱設計與電控設計等細節(jié),對于LED而言,光學設計的考慮除了反射罩設計之外,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,進一步將影響反射罩或成像透競的要求,與傳統(tǒng)頭燈設計需考慮不同燈泡(H1、H4、H7、H11等)類似。在傳統(tǒng)的頭燈設計上,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,散熱重點落在整個頭燈腔體的均溫設計而非燈泡的散熱,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作為光源設計的重要課題。
光學設計時先考慮法規(guī)需求,討論視角與強度關(guān)系,以近燈為例須針對其特殊的15度揚角設計,如圖5所示。在傳統(tǒng)的燈具設計上由先期的利用反射罩配合透鏡刻紋作角度與強度的控制,演變成為利用反射罩直接控制強度角度,也發(fā)展出利用成像方式的魚眼透鏡設計法。不論何種的設計方式都須先考慮選用光源的特性,特別是角度與強度的光型輸出(Beam pattern),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,進而發(fā)展出來與之搭配的透鏡、反射罩、擋板、透鏡等光學組件。而利用LED作為光源設計燈具時,需重新考慮其光學特性由傳統(tǒng)的柱狀光源變?yōu)槠矫婀庠矗ú煌姆庋b設計有不同的光型輸出),進而搭配外部的光學組件而產(chǎn)生不同組合以應用于不同產(chǎn)品,依照德國車燈大廠HELLA的設計分類,可將光源分為八大類,如圖6 所示。LED目前的單位面積發(fā)光量尚不及鹵素燈泡與放電式燈泡,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,光學設計的難度也隨之提升,所以在現(xiàn)有的概念車上,都以模塊化光學設計取代既有的單一燈室設計,利用多組燈源達到傳統(tǒng)燈具的照明水平,除了降低光學設計的難度,也增加車體造型的設計感。
散熱設計是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, PN接口)溫度的升高而下降,如圖8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?。耍玻话阋驗榉庋b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)
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