LED汽车前大灯光源三维设计与性能分析

王升平，景玉军，郭美华

(中山职业技术学院机电工程系，广东 中山　528404)



LED汽车前大灯光源三维设计与性能分析

王升平，景玉军，郭美华

(中山职业技术学院机电工程系，广东 中山528404)

摘要：分析了LED光源由平面封装扩展为三维封装时的封装面扩展系数和出光角度的变化。在此基础上，设计并制造了三种不同封装长度、不同功率的三维LED汽车前大灯光源。测试结果表明，三维封装光源的光通量随注入电流的增大线性增加，当光源的实际发光功率为15.2 W时，光通量即达到汽车前大灯远光灯照明所需的2000 lm，节能效果明显。三维封装光源的色温随注入电流的增加而增加，而发光效率和色坐标均随注入电流的增加而降低，显色指数基本保持不变。

关键词：LED；汽车前大灯；三维封装

引言

汽车前大灯是LED的重要应用领域。2002年，奥迪公司在A8车型上首次采用 LED 作为日间行驶信号灯光源，向人们展示了基于LED光源的汽车前照灯饰设计理念[1]。2007年，采用日本KOITO设计的组合式LED前大灯的雷克萨斯LS600h/LS600hL车型量产，但其中只有近光灯和辅助照明采用了LED光源。2008年，奥迪R8成功推出，标志着全球第一款量产的搭载全LED 前大灯总成车型诞生。

对于LED汽车前大灯的研究，Ge等[2,3]提出了一种适用于汽车前大灯近光灯模组的复合光学系统，该系统采用高亮LED器件作为光源，能耗不到10W，能够实现精准的照度分布。Wang等[4]设计了一种基于大功率LED的汽车前大灯的近光灯系统，该系统能够产生高质量的光线分布和非常尖的边界线。此外，Wang等还对三种基于热管-翅片-散热片结构的散热模组进行了仿真，并制作出一种针对LED前大灯近光灯的散热模组。测试结果发现散热模组有很好的散热效果，甚至在80℃环境温度下都能满足LED前大灯近光灯系统的工作需求。Ge等[5]为了消除采用LED作为光源的汽车前大灯的彩虹现象，开发了一种基于自由形式微型透镜的LED远光前大灯。由LED光源发出的光线能够被准直系统平行化并通过微型透镜得以重新分布，能够有效消除彩虹现象。Zhu等[6]采用12×4的平面封装形式，考察了LED平面阵列封装光源作为汽车前大灯光源的出光特点。可见，对LED汽车前大灯的研究主要集中在前大灯近光灯系统，并以平面阵列封装光源为主。LED汽车前大灯远光灯需要 2000 lm 以上的白光，光强高；另一方面，汽车前大灯远光灯空间狭小，且光源大体上必须位于焦平面，平面阵列封装难以满足要求。此外，狭小空间内的大功率LED发光，给LED的热管理即温升控制带来严峻的挑战。因此，设计制造新型三维LED汽车前大灯远光灯光源极为必要。

本文首先分析LED光源由平面封装扩展为三维封装的封装面扩展系数与出光角度，然后设计制造三种不同长度、不同功率的六棱柱形三维LED汽车前大灯远光灯光源，并对该光源的光电参数作了测试与分析。

1三维LED光源封装面扩展系数与出光角度

传统平面封装光源受条件限制，往往存在封装LED灯珠密度不足、单个灯珠间出光相互影响、平面光源难以满足180°出光角度等问题。将多颗LED灯珠的封装形式从平面扩展为空间立体，增加了可封装LED灯珠的数量；LED灯珠安装区域被分割成多个非共面的次级平面，可有效避免灯珠间的光线影响；多个灯珠安装次级平面分散出光，可形成大角度的空间光色分布。

1.1　三维封装封装面扩展系数

设平面封装光源的LED灯珠安装区长度为La，平面封装光源向三维立体扩展的实质是向以安装区长度为直径的圆的内接多边形演变[7]，如图1所示。根据几何关系，演变后的三维封装结构单个次级平面长度设为Lsa

式中N为三维封装次级平面数，则三维封装结构的灯珠安装平面总长度为

La′=N×Lsa

将La′与La的比值定义为封装面扩展系数δa，随着三维封装次级平面数的增多，用于灯珠安装的平面的总长度呈上升趋势，并且无限接近于以安装区长度为直径的圆的半周长如图2所示。

图1　平面封装扩展为三维封装示意图Fig.1　Two-dimensional package expanded to 3D package

图2　三维封装封装面扩展系数δa与次级平面数N的关系Fig.2　The relationship between the expansion coefficient δa and sub-plane number N

1.2　三维封装光源出光角度

LED灯珠的出光角度一般在120°，传统平面封装的出光角度也只能保持在120°的范围。将平面封装扩展为三维封装，如图3所示，出光角度有了明显的增长，能够实现180°出光，便于二次光学设计。

图3　三维封装光源出光角度与子平面数的关系Fig.3　The relationship between the angle of light emitting and the number of the sub-plane in the 3D package

2三维LED汽车前大灯光源结构设计与封装

基于对三维封装封装面扩展系数和出光角度的分析，设计了六棱柱形的LED汽车前大灯远光灯光源，如图4所示。正六棱柱的每个侧面上开有一个矩形槽，方便放置金属基印刷电路板(MCPCB)和布置LED灯珠，MCPCB内部设计有电路，当LED灯珠焊接在MCPCB上后，能够实现MCPCB上LED灯珠的串联和各电路板之间的并联。鉴于汽车前大灯在使用过程中会受到震动，对LED灯珠的机械强度性能要求高，确保在机械载荷情况下能够保持高光效。此外，LED灯珠工作温度范围宽，所需寿命长。针对上述问题，选择机械强度高、尺寸小、厚度薄、高亮度、寿命长的共晶3535 LED灯珠，单个灯珠的功率为1 W。

图4　六棱柱形LED汽车前大灯远光灯光源结构示意图Fig.4　The six prismatic LED automobile headlight light source

然而，LED虽然电光效率高，但由于三维封装的封装密度高、功率大，导致该LED光源散热问题变得非常突出[8]。单颗3535灯珠的标准工作电流是350mA，功率为1W，光电效率一般在30%~40%之间，若以35%为准，在不考虑银光粉体自身发热情况下，可认为单颗3535灯珠每秒发热量为0.65J，单颗3535灯珠的热流密度为53060J/(m2·s)。由于数十个灯珠高密度封装，三维封装光源热流密度极高。为了解决该光源高热流密度散热问题，采用热管散热器方案，热管具有强大的传热能力，热阻几乎为零。因此，在六棱柱支架上开有通孔，方便放置热管如图4所示。在MCPCB的背面，涂有导热硅脂，以便将LED发出的热量迅速传入热管，实现散热。根据散热要求，选择外径为8mm、长度180mm、内部烧结有吸液芯的热管，其热阻≤0.08℃/W，启动温度为30℃，理想工作温度在30~200℃，能够在80W的热负载下有效传热而不被烧干。散热器选择太阳花圆柱形铝质散热器，该散热器重量轻、导热性能良好、散热面积大等优点，能够保证LED产生的热量经热管快速传递到散热器上后，将热量及时散发，保证LED器件的正常工作。该光源经扩晶、固晶、回流焊、荧光胶封装、硅胶封装、MCPCB封装、散热模组安装等工序封装后，成为三维大功率LED汽车前大灯远光灯光源。图5为封装后的由36个3535 LED灯珠组成的六棱柱LED汽车前大灯远光灯光源。

图5　三维大功率LED汽车前大灯远光灯光源实物图Fig.5　3D high-power LED automobile headlamp light source entity picture

3测试结果与分析

3.1　光通量与发光效率

用L表示六棱柱LED三维光源的支架长度，M表示单个MCPCB上焊接的LED灯珠数量，L-M表示在长为L的六棱柱LED三维光源支架的每一面MCPCB上封装有M个3535灯珠，本文封装了30-4(共24个灯珠)、40-6(共36个灯珠)、50-8(共48个灯珠)三个LED光源。图6表示三个六棱柱LED三维光源光通量与总注入电流的关系。从图6可以看出，对于每个三维光源，随着注入电流的增大，光通量线性增加。PN结是发光二极管的核心部分，电流增加后，注入到发光区的电子和空穴数量增加，发生辐射复合的数量也会增加，器件的光通量增加。当注入的总电流分别为670 mA和900 mA时，50-8和40-6两个光源的光通量都达到了2000 lm，能够满足汽车前大灯远光灯对LED光源的要求。此时，50-8和40-6两个光源的功率均仅为15.2 W，与目前普遍采用的卤素或氙气前大灯相比，节能效果极为明显。而光源30-4，当注入电流为1000 mA时，光通量接近1500 lm，此时功率为11.4W。这表明，50-8和40-6两个光源比较适合作为汽车前大灯光源。

图6　不同长度六棱柱LED三维光源光通量与电流的关系Fig.6　Retationship between the luminous flux and the current in six prismatic LED 3D light source with different length

图7表示三个六棱柱LED三维光源发光效率与注入电流的关系。从图7可以看出，发光效率随着注入电流的增大逐渐降低。随着注入电流的增大，注入发光区的电子发生非辐射复合的几率变大，使器件的内量子效率降低；同时，由于电流增加导致器件的温度升高，使荧光粉的量子效率降低，进一步增加了非辐射复合的几率。总体情况下50-8三维光源的光效率最高，30-4三维光源光效率最低。

图7　不同长度六棱柱LED三维光源光效与电流的关系Fig.7　Retation between the luminous efficiency and the current in six prismatic LED 3D light source with different length

3.2　色坐标、色温和显色指数

由于均采用3535灯珠，三种三维光源的色坐标、色温和显色指数十分接近，并且随着注入电流的增大有着相同的变化趋势，所以仅以40-6的三维光源的测试数据进行分析，如图8、图9所示。随着驱动电流的增大，三维光源的X、Y色坐标值均有所减小，且Y坐标值减小得较X坐标值快；色温逐渐升高，而显色指数基本保持不变。这是因为注入电流增大后，芯片发出的蓝光增多，荧光粉层的厚度是一定的，则在出射的白光中蓝光成份增加，根据光谱图可知，其色坐标均会减小，而器件的色温有所增加。然而，显色指数与光谱成分有关，电流增加并不影响出光的光谱的分布，所以器件的显色指数几乎没有变化。

图8　40-6的三维光源色坐标随电流变化图Fig.8　The trend chart of the No.40-6 3D light source color coordinate change with the current

图9　40-6的三维光源色温与显指随电流变化图Fig.9　The tread chart of the No.40-6 3D light source color coordinate change with the color rendering

4结论

1)LED器件的三维封装对于汽车前大灯远光灯等具有较高配光要求和较小放置空间而又要求大功率的应用场合具有较好的适应性。三维封装能够有效增大LED灯珠的封装长度，提高光源出光效率，改善出光角度。

2)50-8和40-6两个六棱柱三维光源的总注入电流分别为670mA和900mA时，光通量均达到2000 lm，达到汽车远光灯的照明要求，而此时功率仅为15.2 W，节能效果明显。

3)六棱柱形三维光源的光通量、色温均随着电流的增大而增大，而发光效率和色坐标均随着电流的增大而减小，显色指数基本保持不变。

参考文献

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中国照明学会暨北京照明学会2016迎新春联谊会在北京举办

2016年1月20日，中国照明学会、北京照明学会2016迎新春联谊会在北京申安集团举办，中国照明学会在京的理事、会员代表、部分老同志，部分京外的代表，工信部半导体产业与应用联盟关白玉秘书长，国家半导体照明研发与产业联盟吴玲主任、阮军副主任，中国照明电器协会陈燕生副理事长兼秘书长等100余人参加了联谊会。中国照明学会邴树奎理事长、北京照明学会王大有副理事长、申安集团庄申安董事长、中国照明学会顾问张绍纲等在联谊会上发言，中国照明学会窦林平秘书长主持。

邴树奎理事长代表中国照明学会首先感谢学会会员对学会工作的大力支持，感谢学会的老同志长期以来对学会工作的关注及建议，感谢原理事长甘子光(已故)、王锦燧、徐淮同志为中国照明学会做出的贡献。

2015年中国照明学会在中国照明领域学术交流、照明科普、教育培训、驱动创新等方面开展了大量的工作，中照照明奖、照明设计师的培训、北京国际照明展览会、《照明工程学报》等在中国照明领域产生了巨大的影响。2016年是国家十三五规划的开局之年，面临着中国照明产业格局的巨大变化，中国照明学会将贯彻落实党中央关于群团工作会议的精神，按照学会的章程，本着为社会经济发展服务、为科技工作者服务、为会员服务的宗旨，继续在引领照明科技发展，促进照明事业繁荣，加强学会自身建设等方面开展工作。2016年将做好学会的“十三五”规划，在承接政府职能转移、驱动创新等方面开展深化工作，继续做好中国照明论坛、中照照明奖、照明设计师培训、照明科普、照明展、照明学术期刊的出版等品牌工作，尽快开展学会团体标准的制定、照明领域职称的评定、创新基地的评定、照明人才的评价等工作。2016年是中国照明学会的换届年，做好中国照明学会的换届工作，是今后中国照明学会快速发展的重要保证。

联谊会期间，大家欢聚一堂，共叙友谊，还参观了申安集团的照明产品展示室，了解申安集团研发的LED照明新产品以及完成的照明工程案例。

Performance Analysis and Three-dimensional Design for the Light

Source of LED Automobile Headlights

Wang Shengping, Jing Yujun, Guo Meihua

(MechanicalandElectronicEngineeringDepartmentofZhongshanPolytechnic,Zhongshan528404，China)

Abstract：This paper analyzes how the package surface expansion coefficient and the angle of light emitting change when LED light source is extended from two-dimensional package to 3D package. On this basis, the 3D LED light sources of the automobile headlamp with three different package lengths and different powers is designed and manufactured The test results show the luminous flux of 3D package source increases linearly with the input current. When the actual light-emitting power was 15.2 W, the luminous flux is up to 2000 lm required by the high beam at the headlight. The energy saving effect is obvious. The color temperature will increase with the input current. The luminous efficiency and the color coordinate will decrease with. The color rendering index remained unchanged basically.

Key words:LED; automobile headlight; 3D package

基金项目：中山市科技计划项目资助(20123A249)

中图分类号：TM923

文献标识码：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.019