趙新杰 蔡憶昔 王靜 李小華 張純

（江蘇大學(xué)）

大功率LED前照燈近光散熱器布置方案研究*

趙新杰 蔡憶昔 王靜 李小華 張純

（江蘇大學(xué)）

針對大功率發(fā)光二極管(LED)對結(jié)點溫度要求控制嚴格的特點，提出一種基于導(dǎo)熱板+熱沉的散熱技術(shù)來滿足LED 前照燈散熱封裝的方法。利用恒溫箱模擬車燈所處發(fā)動機艙的環(huán)境溫度，通過數(shù)值模擬和試驗方法研究了芯片結(jié)點溫度隨環(huán)境溫度、導(dǎo)熱板長度、散熱器傾斜角度、芯片封裝深度變化的規(guī)律。試驗值與數(shù)值模擬值基本吻合。

1 前言

翅片式散熱器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于中小型電子產(chǎn)品散熱系統(tǒng)中。對大功率LED汽車前照燈的翅片式散熱器結(jié)構(gòu)進行改進，在原有基礎(chǔ)上增加導(dǎo)熱板強化散熱，使熱沉與燈體有一定距離，便于利用汽車在行駛中產(chǎn)生的氣流進行冷卻，可增強散熱器表面對流換熱系數(shù)，有效降低散熱系統(tǒng)總熱阻。影響LED芯片結(jié)溫的主要參數(shù)為輸入功率、芯片底部貼面到環(huán)境的熱阻和環(huán)境溫度。已有研究[1]表明，自然對流式散熱器的安裝角度對散熱器表面空氣流動傳熱性能有一定影響，目前研究主要集中在水平與垂直角度[2，3]方面。本文將研究環(huán)境溫度及傾斜角度對芯片結(jié)溫的影響，在此基礎(chǔ)上，通過風(fēng)扇強迫對流散熱，進一步降低芯片結(jié)溫。通過提出LED前照燈散熱器模型，從各方面評估模型的熱性能，證明了汽車前照燈散熱應(yīng)用的可行性。

2 散熱器模型

選擇合適的LED光源是汽車前照燈配光設(shè)計的關(guān)鍵，應(yīng)從光度、色度、工作電壓、電流、熱阻和芯片結(jié)溫等多方面綜合考慮[4，5]。

GB25991-2010規(guī)定，LED前照燈的總輸出光通量應(yīng)高于1 000 lm；LED光源還必須具有高可靠性，光學(xué)和電學(xué)參數(shù)需穩(wěn)定并保持一致，在所有試驗過程中，光度輸出不應(yīng)小于初始光通量的70%；芯片功率大、熱阻小，色溫在2 500～6 000 K之間，適合-40～125℃的環(huán)境溫度[6]。

基于以上要求，研究中選取PHILIPS LUXEON Altilon系列大功率LED芯片，型號為LAFL-C4S-0850，單個芯片輸出光通量為850～1 000 lm，典型輸出功率13.7 W[7]。假設(shè)前照燈的目標光通量為1 200 lm，典型工作電流為700 mA，根據(jù)光通量疊加原理可以計算各LED的光輸出，以最小光通量來計算，可確保滿足設(shè)計目標[4]。在最高工作溫度為130℃時，由圖1可計算出單顆芯片的最小輸出光通量為：

則近光系統(tǒng)所需的LED芯片數(shù)為：

式中，ΦD為單顆芯片的最小輸出光通量；ΦS1為近光系統(tǒng)的目標光通量；NLED為近光系統(tǒng)所需的LED芯片數(shù)量。

根據(jù)初步計算可知需采用3顆LED芯片。前照燈近光系統(tǒng)的光學(xué)仿真結(jié)果表明，2個芯片同樣滿足配光要求。所以，從節(jié)約成本角度考慮，選用2個芯片進行試驗研究。采用導(dǎo)熱板輔助的LED前照燈散熱模型如圖2所示，z軸負方向為重力方向。圖3給出了各散熱部件的外形尺寸。假設(shè)有80%[8]的輸入功率轉(zhuǎn)化為熱量，LED光源的額定發(fā)熱功率P=2× 13.7W×0.8=24.66W?；趯?dǎo)熱板的散熱器采用3塊鋁板分別連接基板和熱沉；測試時，LED模塊置于改裝后的燈體中模擬實際運行中的工作狀態(tài)；熱量傳輸路徑為LED芯片→微熱沉→鋁基板→導(dǎo)熱板→熱沉→空氣。

3 數(shù)學(xué)模型

在Pro/E軟件中建立前照燈散熱系統(tǒng)的三維模型，然后導(dǎo)入散熱分析軟件FloEFD中計算，計算中需做以下假設(shè)：

a.氣體流動穩(wěn)定，為層流；

b.除密度之外，氣流其它性能不隨溫度變化，空氣密度可以由理想氣體狀態(tài)方程得出；

c.各部件材料均勻且各向同性，導(dǎo)熱率不隨溫度變化。

分析計算采用以下方程。

空氣側(cè)：

連續(xù)性方程：

動量方程：

式中，ρ為空氣密度；v、u、w分別為x、y、z軸坐標方向速度矢量；P為壓強；g為重力；μ為動力粘度；?2為拉普拉斯算子。

能量方程：

式中，CP為比熱；T為溫度；k為導(dǎo)熱率。

固體側(cè)：

能量方程：

計算中各部件材料的屬性設(shè)置如表1所示。計算時采用自然對流散熱模型，邊界條件設(shè)置為自由環(huán)境氣壓（環(huán)境溫度為25℃，壓力為1個大氣壓），計算對流換熱下的熱傳導(dǎo)和熱輻射（輻射系數(shù)為0.5，燈體內(nèi)壁面設(shè)為白體）。

表1 LED前照燈主要部件材料參數(shù)

4 試驗系統(tǒng)

整個試驗系統(tǒng)主要包括改裝的LED前照燈、用于模擬環(huán)境變化的恒溫箱、直流穩(wěn)壓電源和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4部分。散熱研究試驗系統(tǒng)布置如圖4所示。恒溫箱主要用于模擬車燈所處發(fā)動機艙內(nèi)環(huán)境溫度的變化；WYJ-20A60V型雙路直流穩(wěn)壓電源的電壓和電流可分別在0～60V和0～20A之間連續(xù)調(diào)節(jié)，以使LED輸出不同的功率，并假設(shè)LED工作時有80%的能量轉(zhuǎn)化為熱能；溫度數(shù)據(jù)采集采用ZJ-16A多路溫度巡檢儀和TASI-8606紅外測溫儀。測試時，4只熱電偶用于測量LED芯片表面的最高溫度，標記為T1、T2、T3、T4，測試結(jié)果取平均值，另外4只熱電偶分別用來測量鋁基板、導(dǎo)熱板、熱沉、燈殼的表面溫度。

5 結(jié)果分析

5.1 3種不同裝置的散熱性能對比

圖5為在發(fā)熱功率為25W及環(huán)境溫度為25℃時兩種散熱器散熱效果的數(shù)值模擬圖。圖6為分別采用數(shù)值模擬和試驗方法研究不同散熱方案的散熱效果對比圖。由圖6可見，模擬值與試驗值偏差較小，且當采用熱沉+導(dǎo)熱板散熱方案時，LED芯片結(jié)溫上升幅度較為平緩，芯片結(jié)溫為89.44℃，滿足LED的使用要求；而只安裝導(dǎo)熱板的方案，在輸入功率為15 W時，LED芯片結(jié)溫已達到135.62℃，高于工作極限溫度，無法滿足使用要求。若只安裝熱沉，芯片結(jié)溫為122.50℃，明顯高于采用導(dǎo)熱板+熱沉的方案。所以采用導(dǎo)熱板+熱沉的散熱方案，能較好的控制芯片結(jié)溫，當環(huán)境溫度不高時，可以采用此種冷卻方案。

5.2 環(huán)境溫度、散熱器傾斜角、芯片封裝深度對芯片結(jié)溫的影響

前照燈外部散熱器安裝位置緊靠汽車發(fā)動機艙，且環(huán)境溫度時刻改變，這就要求冷卻裝置能適應(yīng)不同的環(huán)境溫度，在較高環(huán)境溫度時仍能有理想的散熱效果。研究中，控制發(fā)熱功率25 W不變，圖7為測得的LED芯片結(jié)溫隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律。由圖7可以看出，試驗值與模擬值存在一定偏離，且偏離程度隨著環(huán)境溫度的升高而增大，最大偏差為4.72%，但在可接受范圍之內(nèi)。芯片結(jié)溫隨環(huán)境溫度基本呈線性變化，這對預(yù)測LED芯片在不同環(huán)境中的結(jié)溫具有重要作用。模擬值與試驗值均表明，當環(huán)境溫度不高于55℃時，芯片的最高結(jié)溫均不超過120℃，表明了基于導(dǎo)熱板+熱沉散熱方案的可行性。

汽車前照燈散熱系統(tǒng)安裝位置及不確定性會改變氣體流動狀態(tài)進而影響散熱性能。因此有必要對散熱器不同安裝傾斜角下的散熱機理進行分析。研究中，散熱器安裝傾斜角θ分別選擇為0°（水平放置）、45°和90°（垂直放置），如圖8所示，環(huán)境溫度保持25℃不變，研究不同發(fā)熱功率下芯片結(jié)溫的變化，結(jié)果如圖9所示。由圖9可見，在發(fā)熱功率低于20W時，散熱器傾斜角對芯片結(jié)溫有較大影響，當散熱器垂直放置（θ=90°）時，散熱效果最好；而散熱器水平放置（θ=0°）時，散熱效果最差；隨著發(fā)熱功率的增大，散熱器傾斜角對散熱性能的影響變小。這是因為散熱器水平放置時，空氣被加熱后在散熱器近場形成環(huán)流區(qū)，熱空氣無法及時排出，冷空氣也不能補充進來；隨著放置角度的增加，氣體環(huán)流作用減弱，直到垂直位置時，冷熱空氣形成了自下而上的流動狀態(tài)，換熱效率大大提高；受熱空氣上升后溫度逐漸降低，又會重新向下回落，與自下而上的冷空氣形成了對流，隨著發(fā)熱功率的增大，這種對流作用更明顯，換熱性能逐漸減弱。在實際應(yīng)用中，散熱器安裝角度應(yīng)綜合考慮其對前照燈配光性能和熱傳遞作用效果的影響。

以上研究的封裝系統(tǒng)中，鋁基板均與燈殼底部表面貼合，此時導(dǎo)熱板安裝于燈體外部?？紤]在實際應(yīng)用中，散熱器導(dǎo)熱板的封裝深度對系統(tǒng)熱傳遞作用效果也有重要影響，從理論角度分析，導(dǎo)熱板安裝于燈體外部時更有利車燈內(nèi)外的熱交換。但考慮到LED前照燈配光性能，芯片對發(fā)光角度有一定要求，此時芯片的封裝位置可能要距離燈體底部一定距離，部分導(dǎo)熱板將封裝在燈體內(nèi)。定義芯片距離燈體底部的長度為封裝深度H，如圖10所示。

圖11所示為芯片結(jié)溫隨封裝深度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在相同發(fā)熱功率下，芯片結(jié)溫隨著封裝深度的增加而增大；隨著發(fā)熱功率的增大，芯片結(jié)溫增大的幅度變大。一方面是燈殼內(nèi)部的氣體流動會隨著封裝深度改變而改變，另一方面，燈殼與外部熱沉的距離不斷變動，也會影響熱沉表面空氣流動，進而影響整個散熱器的散熱性能。

5.3 風(fēng)扇強化散熱

為加強熱沉與周圍環(huán)境的換熱，從提高換熱系數(shù)的角度出發(fā)，對導(dǎo)熱板散熱裝置進行改進，在熱沉后端加裝散熱風(fēng)扇，如圖12所示。圖13所示為加裝風(fēng)扇后各測試點溫度隨發(fā)熱功率的變化，其中風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為500 r/min。由圖13可見，加裝風(fēng)扇后，各測試點的溫度均下降，當發(fā)熱功率為25 W時，熱沉表面溫度下降了近15℃，熱沉與周圍空氣的溫差也降至26℃左右，表明這部分熱阻有了較大幅度的降低，風(fēng)扇的強化散熱效果非常明顯。

6 結(jié)束語

試驗在自行設(shè)計的測試系統(tǒng)中進行，當環(huán)境溫度最高為80℃、LED前照燈發(fā)熱功率最大為25W時，將LED芯片結(jié)溫低于120℃作為控制目標，研究了不同控制參數(shù)下的散熱效果。仿真和試驗研究結(jié)果表明，導(dǎo)熱板散熱方案下LED前照燈的熱傳遞通過氣體顯熱的改變來實現(xiàn)；風(fēng)扇強化散熱能使系統(tǒng)的對流換熱系數(shù)增加；采用風(fēng)扇輔助導(dǎo)熱板散熱，其主要熱阻存在于導(dǎo)熱板的前后端，可使LED前照燈在低于65℃的環(huán)境溫度下正常工作。

1 Sparrow E M，Vemuri S B.Orientation effects on natural convection/radiation heat transfer from pin-fin arrays，Int.J.Heat Mass Transfer，1986，29（3）:359～368.

2 Petroski J.Spacing of high-brightness LEDs on metal sub?strate PCB's for proper thermal performance，Proceedings of the Ninth Intersociety Conference on Thermal and Ther?momechanical Phenomena in Electronic Systems，2004：507～514.

3 Narendran N，Gu Y M.Life of LED-based white light sources.Journal of Display Technology，2005，1（1）: 167～171.

4 周志敏，紀愛華.汽車LED照明驅(qū)動電路設(shè)計實例.北京：機械工業(yè)出版社，2011：10～13．

5 王麗君.LED汽車前照燈光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)：[學(xué)位論文].廣州：華南理工大學(xué)，2012．

6 GB25991-2010.汽車用LED前照燈.北京：中國標準出版社，2011．

7 http://www.philipslumileds.cn.com/uploads/40DS66_C CNS-pdf.

8 Mika Maaspuro，Aulis Tuominen.Thermal analysis of LED spot lighting device operating in external natural or forced heat convection.Microelectronics Reliability，2013，53: 428～434.

9 Kang，B.Performance evaluations of LED headlamps.Inter?national journal of automotive technology，2010，11（5）: 737～742.

10 Li J H，Ma B k，Wang R S，Han L.Study on a cooling system based on thermoelectric cooler for thermal manage?ment of high-power LEDs.Microelectronics Reliability，2011，51:2210～2215.

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年3月1日。

Research on Layout Plan of High-power LED Low-beam headlamp Cooling Device

Zhao Xinjie,Cai Yixi,Wang Jing,Li Xiaohua,Zhang Chun
（Jiangsu University）

In consideration of the strict junction temperature(Tj)control of high power light-emitting diode(LED), a heat conductive plates(HCPS)coupled with heat sink system is presented for thermal dissipation and package of LED headlight.The thermotank is used to simulate the ambient temperature of the engine compartment where the headlamp is located,numerical simulation and test method are used to investigate the rule of change of junction temperature with the influence of ambient temperature,the length of HCPS,the inclination angles of cooler and the package depth of chips, respectively.The numerical results are validated with the test results and they are in good agreement.

LED headlight,Numerical simulation,Enforced cooling,Junction temperature

LED前照燈 數(shù)值模擬 強化散熱 結(jié)點溫度

U463.65

A

1000-3703（2015）07-0024-05

江蘇省清潔能源重點實驗室開放基金（QK12001）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目（CXZZ12_0673）。