一种新型平台化LED光源模块的车灯应用

张骏 谢延青 郭浩宇 龚和明

【摘  要】本文从光源的角度分析新概念——模块化光源在结构、电子及热学上的特点和优势，通过这些方面所带来的便利展现了模块化光源在平台化、标准化以及低成本方面的潜在优势。随后通过实际项目的应用案例，验证光源模块对于传统方案替代的可行性和优势，以及未来进一步扩展的展望。

【关键词】车灯；光源模块；轻便化；平台化

中图分类号：U463.65    文献标志码：A    文章编号：1003-8639（ 2023 ）04-0052-03

【Abstract】In this paper，we introduced a light source module for automotive lighting headlamp. The characteristics and advantages from mechanical，electrical and thermal aspects have been analyzed，and due to these difference，the light source module can bring advantages of standardization，platform and cost efficiency. Following that，we also analyzed the application of the light module based on real project，and showed great potential of this new concept application.

【Key words】headlights；light source module；portability；platformization

1  引言

汽車车灯是汽车零部件中重要的一部分，必须同时兼顾造型和安全两大重要的用户关注点。而由于车灯安全法规的要求和限制，车灯造型的自由度往往取决于光源本身的特性和能力。所以，传统的汽车照明光源——灯泡，通常会受限于其自身的尺寸、亮度和光色等诸多因素影响，给造型和客户体验带来诸多限制。

近年来，随着LED光源的诸多优势（例如：环保、高效、小巧、高亮、长寿等）越来越进入人们的视线，LED在汽车照明领域正被越来越广泛地应用。其中，高亮和小巧的特点使得许多新颖的造型成为了可能，这给近年来的汽车前脸造型带来了明显的改善和多样的变化。同时，LED灯具输出的光强和光色也更契合客户的需求，LED对于车灯照明的升级是不言而喻的。然而在新型光源的应用中我们发现，LED的光源系统相较于灯泡更为复杂，系统标准化程度也更低；从项目开发的角度来说，不同项目的开发情况相去甚远，沿用率很低。这给项目开发、项目管理、成本管控等带来了很大的负担，促使我们萌生一种想法，能否使复杂的LED光源系统应用起来更接近于灯泡，提高标准化程度，减少不同项目的开发流程，同时也降低分摊成本。因此，本文介绍一种模块化LED光源的应用案例，发挥低成本、平台化、标准化等诸多优势，也给LED系统的集成化提出新的概念。

2  LED光源系统介绍

2.1  LED系统-散热

区别于传统的卤素光源，LED为俗称的“冷光源”。顾名思义，LED在热辐射方面相对于卤素灯泡较小，所以LED在发光时所产生的热量主要通过热传导的方式向外导出，这是LED与传统光源不同的典型方面之一。尤其作为前照灯照明的应用，LED功率往往较高，发热功率也相应增加，LED产生的热量需要通过连接散热器的形式向外导热（必要时需要风扇强制对流）。

另外，LED和卤素灯泡的差别还在于LED的热衰减现象非常明显。如图1所示，结温过高会直接导致光输出的减小，所以在前照灯照明系统里，对散热系统进行设计变得尤为重要。必须确保在空间和成本限制的条件下，最大限度地降低实际的LED工作结温。

以上两个原因使得散热器设计成为了LED应用系统中的一个重要环节，对后期实际工况及可靠性影响很大。现主流前照灯散热器的形式主要有铸铝和冲压铝板等。根据实际的工作情况和灯具内部空间，可以针对设计散热器的大小、形状和鳍片间距。图2是几例常见的散热器样式图。

2.2  LED系统-电子

LED的封装会引出正负极，而正负极与电源的连接一般通过PCB板提供，所以LED一般会焊在PCB上。由于LED封装尺寸小，光学系统对于LED的公差要求也会相应提高，所以PCB作为LED的载体，除了连接电路外，还须承担精准定位的功能。为此，产生了较多的贴片工艺来控制LED在PCB上的位置公差。另外，PCB还是LED链接散热器的桥梁。PCB在散热方面需要满足高导热率的要求，尽可能将热量高效地传输出去。因此，不同基材形式的PCB板应运而生，满足不同的工况需求，如图3所示。

针对上述走线、定位和导热等诸多功能，PCB成为系统中比较复杂的一部分，也有较宽的技术选择范围和价格区间。

2.3  LED系统-光学系统定位

最后，LED所产生的光输出会被光学系统搜集，而光的利用效率往往与LED位置精度大大有关。通常LED会先基于PCB板基准孔定位，然后再和光学器件定位，如图4所示。

3  新应用形式——模块化光源

一般来说，前照灯现有的散热器形式大多是铸铝，需要针对各个项目不同的工况和造型空间进行单独设计，开不同的模具。每个项目需要承担模具费用、开发费用以及相应的开发开模周期，资源浪费相对较多。而本文采用的概念是利用标准化的冲压铝板散热形式，能够满足各种空间的限制，从而增加共用性同时也均摊了工艺成本（图5）。

从图5不难看出，本文所用的冲压形式散热器比传统的铸铝散热器体积要小得多。其原因主要是得益于使用了上接电形式的LED。简单来说，这种LED从上表面接电，底部的焊盘面积可以全部用来导热；LED可以直接贴在散热器上，绕开了PCB带来的热阻，导热效果更好，进而就可以大大减少散热器的使用体积。同时轻便性也给平台化使用以及折弯工艺均摊成本创造了机会。另外，如图6所示的传统反射式应用中，铸铝散热器往往放在光学件上方，方便热量向上散发；厚重的散热器往往会给整车的振动试验带来较大的压力。本文的轻便化模块光源，不仅在体积上小巧，适用于多种灯体空间，还优化了重心结构，大大减少了光学总成在振动试验中的风险。

另外，正如LED可以绕开PCB直接贴在散热器上的优势，使得PCB不用承担精度和导热的任务，最终减少PCB原本为了满足精度和散热要求所需要的成本。从定位结构来说，LED直接贴在散热器上再直接与光学器件定位，可以减少PCB环节的公差链，提高定位精度。

4  应用实例展示

本文在新开发的车型中，使用了新型的模块化光源。具体应用系统如图7所示，从重心安排上来说，新的光源模块总重35g，比起传统铸铝散热器至少100g以上的质量，已减少为三分之一。另外，虽然散热器体积减小，但由于LED结构带来的散热优势，使得光源模块输出的热流明与传统的设计相比并没有减少。如图8模组模拟数据，在50℃环境温度下，双芯片可以输出618lm（@1A），4芯片可以输出1121lm（@0.9A）。这样来看，新型模块在保持了光输出的情況下，把系统做得更轻便，并且也为平台化提供了方便。另外，由于PCB板无需承担定位和导热功能，实际模块上简单用一个FR4的板子，能节省不少成本。

整灯的光学表现，由于目前项目处于样件阶段，测试结果如图9所示。近光实际输出550lm，远光实际输出480lm，最大照度107lx，均与设计目标一致并且与同级别系统相当。路面的近光、远光照度和均匀性也达到同级别相同水准，实际零件均匀性会更好。

5  未来展望

本文针对LED光源的应用系统提出了新的想法，也展现了新方案所带来的收益。展望未来，笔者认为在此模块的基础上，还可以拓展一些新的应用，例如：散热器上光源贴片处可以预留出更多的空间，方便之后多颗LED并排使用的情况。同时也可丰富PCB板的接线接口个数，方便从不同角度对接不同数量的LED，这些可能会用于LED颗数增加并带有旋转的一些应用设计。

6  结语

随着LED光源的应用越来越普及，给车灯造型带来了更丰富的选择以及炫酷的效果。但相应造型的多变，使LED光源系统相比传统灯泡的通用性和共用性都大大降低，给开发成本和开发周期带来了沉重的负担。本文提出了新的平台化光源模块想法，利用上接电LED的散热优势，将LED直接贴在散热器上，绕开PCB现有的昂贵成本，同时也减小了散热器体积，方便平台化的冲压工艺。最终实现了既紧凑通用又能实现传统系统相当输出的新型模块。希望本文的思路能够抛砖引玉，在未来的项目开发中得到更多同行在此基础上的升级和扩展应用。

参考文献：

[1] 秦典成，陈爱兵，肖永龙. 基于热电分离式理念的LED车灯光源的开发[J]. 照明工程学报，2018（5）：104-108.

[2] 王艳光. 浅谈材料的正确应用对车灯反射镜的设计生产以及成本的影响[J]. 时代汽车，2019（13）：111-112.

（编辑  杨  景）