王升平，景玉軍，郭美華

(中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 中山　528404)

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LED汽車前大燈光源三維設(shè)計(jì)與性能分析

王升平，景玉軍，郭美華

(中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 中山528404)

摘要：分析了LED光源由平面封裝擴(kuò)展為三維封裝時(shí)的封裝面擴(kuò)展系數(shù)和出光角度的變化。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制造了三種不同封裝長(zhǎng)度、不同功率的三維LED汽車前大燈光源。測(cè)試結(jié)果表明，三維封裝光源的光通量隨注入電流的增大線性增加，當(dāng)光源的實(shí)際發(fā)光功率為15.2 W時(shí)，光通量即達(dá)到汽車前大燈遠(yuǎn)光燈照明所需的2000 lm，節(jié)能效果明顯。三維封裝光源的色溫隨注入電流的增加而增加，而發(fā)光效率和色坐標(biāo)均隨注入電流的增加而降低，顯色指數(shù)基本保持不變。

關(guān)鍵詞：LED；汽車前大燈；三維封裝

引言

汽車前大燈是LED的重要應(yīng)用領(lǐng)域。2002年，奧迪公司在A8車型上首次采用 LED 作為日間行駛信號(hào)燈光源，向人們展示了基于LED光源的汽車前照燈飾設(shè)計(jì)理念[1]。2007年，采用日本KOITO設(shè)計(jì)的組合式LED前大燈的雷克薩斯LS600h/LS600hL車型量產(chǎn)，但其中只有近光燈和輔助照明采用了LED光源。2008年，奧迪R8成功推出，標(biāo)志著全球第一款量產(chǎn)的搭載全LED 前大燈總成車型誕生。

對(duì)于LED汽車前大燈的研究，Ge等[2,3]提出了一種適用于汽車前大燈近光燈模組的復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用高亮LED器件作為光源，能耗不到10W，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的照度分布。Wang等[4]設(shè)計(jì)了一種基于大功率LED的汽車前大燈的近光燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生高質(zhì)量的光線分布和非常尖的邊界線。此外，Wang等還對(duì)三種基于熱管-翅片-散熱片結(jié)構(gòu)的散熱模組進(jìn)行了仿真，并制作出一種針對(duì)LED前大燈近光燈的散熱模組。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)散熱模組有很好的散熱效果，甚至在80℃環(huán)境溫度下都能滿足LED前大燈近光燈系統(tǒng)的工作需求。Ge等[5]為了消除采用LED作為光源的汽車前大燈的彩虹現(xiàn)象，開發(fā)了一種基于自由形式微型透鏡的LED遠(yuǎn)光前大燈。由LED光源發(fā)出的光線能夠被準(zhǔn)直系統(tǒng)平行化并通過微型透鏡得以重新分布，能夠有效消除彩虹現(xiàn)象。Zhu等[6]采用12×4的平面封裝形式，考察了LED平面陣列封裝光源作為汽車前大燈光源的出光特點(diǎn)?？梢姡瑢?duì)LED汽車前大燈的研究主要集中在前大燈近光燈系統(tǒng)，并以平面陣列封裝光源為主。LED汽車前大燈遠(yuǎn)光燈需要 2000 lm 以上的白光，光強(qiáng)高；另一方面，汽車前大燈遠(yuǎn)光燈空間狹小，且光源大體上必須位于焦平面，平面陣列封裝難以滿足要求。此外，狹小空間內(nèi)的大功率LED發(fā)光，給LED的熱管理即溫升控制帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計(jì)制造新型三維LED汽車前大燈遠(yuǎn)光燈光源極為必要。

本文首先分析LED光源由平面封裝擴(kuò)展為三維封裝的封裝面擴(kuò)展系數(shù)與出光角度，然后設(shè)計(jì)制造三種不同長(zhǎng)度、不同功率的六棱柱形三維LED汽車前大燈遠(yuǎn)光燈光源，并對(duì)該光源的光電參數(shù)作了測(cè)試與分析。

1三維LED光源封裝面擴(kuò)展系數(shù)與出光角度

傳統(tǒng)平面封裝光源受條件限制，往往存在封裝LED燈珠密度不足、單個(gè)燈珠間出光相互影響、平面光源難以滿足180°出光角度等問題。將多顆LED燈珠的封裝形式從平面擴(kuò)展為空間立體，增加了可封裝LED燈珠的數(shù)量；LED燈珠安裝區(qū)域被分割成多個(gè)非共面的次級(jí)平面，可有效避免燈珠間的光線影響；多個(gè)燈珠安裝次級(jí)平面分散出光，可形成大角度的空間光色分布。

1.1　三維封裝封裝面擴(kuò)展系數(shù)

設(shè)平面封裝光源的LED燈珠安裝區(qū)長(zhǎng)度為L(zhǎng)a，平面封裝光源向三維立體擴(kuò)展的實(shí)質(zhì)是向以安裝區(qū)長(zhǎng)度為直徑的圓的內(nèi)接多邊形演變[7]，如圖1所示。根據(jù)幾何關(guān)系，演變后的三維封裝結(jié)構(gòu)單個(gè)次級(jí)平面長(zhǎng)度設(shè)為L(zhǎng)sa

式中N為三維封裝次級(jí)平面數(shù)，則三維封裝結(jié)構(gòu)的燈珠安裝平面總長(zhǎng)度為

La′=N×Lsa

將La′與La的比值定義為封裝面擴(kuò)展系數(shù)δa，隨著三維封裝次級(jí)平面數(shù)的增多，用于燈珠安裝的平面的總長(zhǎng)度呈上升趨勢(shì)，并且無(wú)限接近于以安裝區(qū)長(zhǎng)度為直徑的圓的半周長(zhǎng)如圖2所示。

圖1　平面封裝擴(kuò)展為三維封裝示意圖Fig.1　Two-dimensional package expanded to 3D package

圖2　三維封裝封裝面擴(kuò)展系數(shù)δa與次級(jí)平面數(shù)N的關(guān)系Fig.2　The relationship between the expansion coefficient δa and sub-plane number N

1.2　三維封裝光源出光角度

LED燈珠的出光角度一般在120°，傳統(tǒng)平面封裝的出光角度也只能保持在120°的范圍。將平面封裝擴(kuò)展為三維封裝，如圖3所示，出光角度有了明顯的增長(zhǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)180°出光，便于二次光學(xué)設(shè)計(jì)。

圖3　三維封裝光源出光角度與子平面數(shù)的關(guān)系Fig.3　The relationship between the angle of light emitting and the number of the sub-plane in the 3D package

2三維LED汽車前大燈光源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與封裝

基于對(duì)三維封裝封裝面擴(kuò)展系數(shù)和出光角度的分析，設(shè)計(jì)了六棱柱形的LED汽車前大燈遠(yuǎn)光燈光源，如圖4所示。正六棱柱的每個(gè)側(cè)面上開有一個(gè)矩形槽，方便放置金屬基印刷電路板(MCPCB)和布置LED燈珠，MCPCB內(nèi)部設(shè)計(jì)有電路，當(dāng)LED燈珠焊接在MCPCB上后，能夠?qū)崿F(xiàn)MCPCB上LED燈珠的串聯(lián)和各電路板之間的并聯(lián)。鑒于汽車前大燈在使用過程中會(huì)受到震動(dòng)，對(duì)LED燈珠的機(jī)械強(qiáng)度性能要求高，確保在機(jī)械載荷情況下能夠保持高光效。此外，LED燈珠工作溫度范圍寬，所需壽命長(zhǎng)。針對(duì)上述問題，選擇機(jī)械強(qiáng)度高、尺寸小、厚度薄、高亮度、壽命長(zhǎng)的共晶3535 LED燈珠，單個(gè)燈珠的功率為1 W。

圖4　六棱柱形LED汽車前大燈遠(yuǎn)光燈光源結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4　The six prismatic LED automobile headlight light source

然而，LED雖然電光效率高，但由于三維封裝的封裝密度高、功率大，導(dǎo)致該LED光源散熱問題變得非常突出[8]。單顆3535燈珠的標(biāo)準(zhǔn)工作電流是350mA，功率為1W，光電效率一般在30%~40%之間，若以35%為準(zhǔn)，在不考慮銀光粉體自身發(fā)熱情況下，可認(rèn)為單顆3535燈珠每秒發(fā)熱量為0.65J，單顆3535燈珠的熱流密度為53060J/(m2·s)。由于數(shù)十個(gè)燈珠高密度封裝，三維封裝光源熱流密度極高。為了解決該光源高熱流密度散熱問題，采用熱管散熱器方案，熱管具有強(qiáng)大的傳熱能力，熱阻幾乎為零。因此，在六棱柱支架上開有通孔，方便放置熱管如圖4所示。在MCPCB的背面，涂有導(dǎo)熱硅脂，以便將LED發(fā)出的熱量迅速傳入熱管，實(shí)現(xiàn)散熱。根據(jù)散熱要求，選擇外徑為8mm、長(zhǎng)度180mm、內(nèi)部燒結(jié)有吸液芯的熱管，其熱阻≤0.08℃/W，啟動(dòng)溫度為30℃，理想工作溫度在30~200℃，能夠在80W的熱負(fù)載下有效傳熱而不被燒干。散熱器選擇太陽(yáng)花圓柱形鋁質(zhì)散熱器，該散熱器重量輕、導(dǎo)熱性能良好、散熱面積大等優(yōu)點(diǎn)，能夠保證LED產(chǎn)生的熱量經(jīng)熱管快速傳遞到散熱器上后，將熱量及時(shí)散發(fā)，保證LED器件的正常工作。該光源經(jīng)擴(kuò)晶、固晶、回流焊、熒光膠封裝、硅膠封裝、MCPCB封裝、散熱模組安裝等工序封裝后，成為三維大功率LED汽車前大燈遠(yuǎn)光燈光源。圖5為封裝后的由36個(gè)3535 LED燈珠組成的六棱柱LED汽車前大燈遠(yuǎn)光燈光源。

圖5　三維大功率LED汽車前大燈遠(yuǎn)光燈光源實(shí)物圖Fig.5　3D high-power LED automobile headlamp light source entity picture

3測(cè)試結(jié)果與分析

3.1　光通量與發(fā)光效率

用L表示六棱柱LED三維光源的支架長(zhǎng)度，M表示單個(gè)MCPCB上焊接的LED燈珠數(shù)量，L-M表示在長(zhǎng)為L(zhǎng)的六棱柱LED三維光源支架的每一面MCPCB上封裝有M個(gè)3535燈珠，本文封裝了30-4(共24個(gè)燈珠)、40-6(共36個(gè)燈珠)、50-8(共48個(gè)燈珠)三個(gè)LED光源。圖6表示三個(gè)六棱柱LED三維光源光通量與總注入電流的關(guān)系。從圖6可以看出，對(duì)于每個(gè)三維光源，隨著注入電流的增大，光通量線性增加。PN結(jié)是發(fā)光二極管的核心部分，電流增加后，注入到發(fā)光區(qū)的電子和空穴數(shù)量增加，發(fā)生輻射復(fù)合的數(shù)量也會(huì)增加，器件的光通量增加。當(dāng)注入的總電流分別為670 mA和900 mA時(shí)，50-8和40-6兩個(gè)光源的光通量都達(dá)到了2000 lm，能夠滿足汽車前大燈遠(yuǎn)光燈對(duì)LED光源的要求。此時(shí)，50-8和40-6兩個(gè)光源的功率均僅為15.2 W，與目前普遍采用的鹵素或氙氣前大燈相比，節(jié)能效果極為明顯。而光源30-4，當(dāng)注入電流為1000 mA時(shí)，光通量接近1500 lm，此時(shí)功率為11.4W。這表明，50-8和40-6兩個(gè)光源比較適合作為汽車前大燈光源。

圖6　不同長(zhǎng)度六棱柱LED三維光源光通量與電流的關(guān)系Fig.6　Retationship between the luminous flux and the current in six prismatic LED 3D light source with different length

圖7表示三個(gè)六棱柱LED三維光源發(fā)光效率與注入電流的關(guān)系。從圖7可以看出，發(fā)光效率隨著注入電流的增大逐漸降低。隨著注入電流的增大，注入發(fā)光區(qū)的電子發(fā)生非輻射復(fù)合的幾率變大，使器件的內(nèi)量子效率降低；同時(shí)，由于電流增加導(dǎo)致器件的溫度升高，使熒光粉的量子效率降低，進(jìn)一步增加了非輻射復(fù)合的幾率?？傮w情況下50-8三維光源的光效率最高，30-4三維光源光效率最低。

圖7　不同長(zhǎng)度六棱柱LED三維光源光效與電流的關(guān)系Fig.7　Retation between the luminous efficiency and the current in six prismatic LED 3D light source with different length

3.2　色坐標(biāo)、色溫和顯色指數(shù)

由于均采用3535燈珠，三種三維光源的色坐標(biāo)、色溫和顯色指數(shù)十分接近，并且隨著注入電流的增大有著相同的變化趨勢(shì)，所以僅以40-6的三維光源的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖8、圖9所示。隨著驅(qū)動(dòng)電流的增大，三維光源的X、Y色坐標(biāo)值均有所減小，且Y坐標(biāo)值減小得較X坐標(biāo)值快；色溫逐漸升高，而顯色指數(shù)基本保持不變。這是因?yàn)樽⑷腚娏髟龃蠛?，芯片發(fā)出的藍(lán)光增多，熒光粉層的厚度是一定的，則在出射的白光中藍(lán)光成份增加，根據(jù)光譜圖可知，其色坐標(biāo)均會(huì)減小，而器件的色溫有所增加。然而，顯色指數(shù)與光譜成分有關(guān)，電流增加并不影響出光的光譜的分布，所以器件的顯色指數(shù)幾乎沒有變化。

圖8　40-6的三維光源色坐標(biāo)隨電流變化圖Fig.8　The trend chart of the No.40-6 3D light source color coordinate change with the current

圖9　40-6的三維光源色溫與顯指隨電流變化圖Fig.9　The tread chart of the No.40-6 3D light source color coordinate change with the color rendering

4結(jié)論

1)LED器件的三維封裝對(duì)于汽車前大燈遠(yuǎn)光燈等具有較高配光要求和較小放置空間而又要求大功率的應(yīng)用場(chǎng)合具有較好的適應(yīng)性。三維封裝能夠有效增大LED燈珠的封裝長(zhǎng)度，提高光源出光效率，改善出光角度。

2)50-8和40-6兩個(gè)六棱柱三維光源的總注入電流分別為670mA和900mA時(shí)，光通量均達(dá)到2000 lm，達(dá)到汽車遠(yuǎn)光燈的照明要求，而此時(shí)功率僅為15.2 W，節(jié)能效果明顯。

3)六棱柱形三維光源的光通量、色溫均隨著電流的增大而增大，而發(fā)光效率和色坐標(biāo)均隨著電流的增大而減小，顯色指數(shù)基本保持不變。

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中國(guó)照明學(xué)會(huì)暨北京照明學(xué)會(huì)2016迎新春聯(lián)誼會(huì)在北京舉辦

2016年1月20日，中國(guó)照明學(xué)會(huì)、北京照明學(xué)會(huì)2016迎新春聯(lián)誼會(huì)在北京申安集團(tuán)舉辦，中國(guó)照明學(xué)會(huì)在京的理事、會(huì)員代表、部分老同志，部分京外的代表，工信部半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用聯(lián)盟關(guān)白玉秘書長(zhǎng)，國(guó)家半導(dǎo)體照明研發(fā)與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟吳玲主任、阮軍副主任，中國(guó)照明電器協(xié)會(huì)陳燕生副理事長(zhǎng)兼秘書長(zhǎng)等100余人參加了聯(lián)誼會(huì)。中國(guó)照明學(xué)會(huì)邴樹奎理事長(zhǎng)、北京照明學(xué)會(huì)王大有副理事長(zhǎng)、申安集團(tuán)莊申安董事長(zhǎng)、中國(guó)照明學(xué)會(huì)顧問張紹綱等在聯(lián)誼會(huì)上發(fā)言，中國(guó)照明學(xué)會(huì)竇林平秘書長(zhǎng)主持。

邴樹奎理事長(zhǎng)代表中國(guó)照明學(xué)會(huì)首先感謝學(xué)會(huì)會(huì)員對(duì)學(xué)會(huì)工作的大力支持，感謝學(xué)會(huì)的老同志長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)學(xué)會(huì)工作的關(guān)注及建議，感謝原理事長(zhǎng)甘子光(已故)、王錦燧、徐淮同志為中國(guó)照明學(xué)會(huì)做出的貢獻(xiàn)。

2015年中國(guó)照明學(xué)會(huì)在中國(guó)照明領(lǐng)域?qū)W術(shù)交流、照明科普、教育培訓(xùn)、驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新等方面開展了大量的工作，中照照明獎(jiǎng)、照明設(shè)計(jì)師的培訓(xùn)、北京國(guó)際照明展覽會(huì)、《照明工程學(xué)報(bào)》等在中國(guó)照明領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的影響。2016年是國(guó)家十三五規(guī)劃的開局之年，面臨著中國(guó)照明產(chǎn)業(yè)格局的巨大變化，中國(guó)照明學(xué)會(huì)將貫徹落實(shí)黨中央關(guān)于群團(tuán)工作會(huì)議的精神，按照學(xué)會(huì)的章程，本著為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)、為科技工作者服務(wù)、為會(huì)員服務(wù)的宗旨，繼續(xù)在引領(lǐng)照明科技發(fā)展，促進(jìn)照明事業(yè)繁榮，加強(qiáng)學(xué)會(huì)自身建設(shè)等方面開展工作。2016年將做好學(xué)會(huì)的“十三五”規(guī)劃，在承接政府職能轉(zhuǎn)移、驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新等方面開展深化工作，繼續(xù)做好中國(guó)照明論壇、中照照明獎(jiǎng)、照明設(shè)計(jì)師培訓(xùn)、照明科普、照明展、照明學(xué)術(shù)期刊的出版等品牌工作，盡快開展學(xué)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的制定、照明領(lǐng)域職稱的評(píng)定、創(chuàng)新基地的評(píng)定、照明人才的評(píng)價(jià)等工作。2016年是中國(guó)照明學(xué)會(huì)的換屆年，做好中國(guó)照明學(xué)會(huì)的換屆工作，是今后中國(guó)照明學(xué)會(huì)快速發(fā)展的重要保證。

聯(lián)誼會(huì)期間，大家歡聚一堂，共敘友誼，還參觀了申安集團(tuán)的照明產(chǎn)品展示室，了解申安集團(tuán)研發(fā)的LED照明新產(chǎn)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

基金項(xiàng)目：中山市科技計(jì)劃項(xiàng)目資助(20123A249)

中圖分類號(hào)：TM923

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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