LED車燈設(shè)計(jì)與應(yīng)用.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除LED車燈設(shè)計(jì)與應(yīng)用汽車上的燈光系統(tǒng)不但讓駕駛者能實(shí)際了解車子的狀況，更提供了安全駕駛過程中，所必須兼具的條件。而新一代的光源LED，這對許多消費(fèi)者來說一點(diǎn)也不陌生，甚至已進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用於汽車上，並根據(jù)各個(gè)應(yīng)用面對於效能的不同需求，選擇適宜的LED產(chǎn)品?；旧?，由於LED與傳統(tǒng)的光源除了在外型上的差異之外，光形與效能輸出也有很大的差異，因此，要將LED完善地應(yīng)用在汽車頭燈上，包括光學(xué)設(shè)計(jì)與散熱設(shè)計(jì)等，將與傳統(tǒng)汽車燈具的設(shè)計(jì)概念有所不同。一旦汽車能與LED成功地進(jìn)行整合，並克服技術(shù)門檻之際，將可為汽車設(shè)計(jì)開創(chuàng)出嶄新的設(shè)計(jì)原理。汽車上的燈光控制系統(tǒng)從週遭的汽車上，可以看到LED已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到車上，包括：轉(zhuǎn)向指示燈源、顯示或者是車內(nèi)相關(guān)照明，如汽車顯示儀錶板、車頂照明燈，到車外的尾燈、前後指示燈、倒車燈、第三煞車燈等，或多或少都能見到LED在汽車燈源的相關(guān)應(yīng)用。從系統(tǒng)的角度來說，汽車上的燈光控制是汽車主體控制架構(gòu)中的一個(gè)子系統(tǒng)，主要包括：車門控制與儀表板顯示系統(tǒng)，而基本架構(gòu)則是收集車上各個(gè)開關(guān)的狀態(tài)量，並進(jìn)一步視其狀態(tài)來對車上燈源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，並負(fù)載所需動(dòng)作的電能。由此可見，汽車主體控制系統(tǒng)控制必須是依照不同功率需求的燈源進(jìn)行設(shè)計(jì)。換個(gè)角度，從LED在汽車上的應(yīng)用來看，雖然LED在第三煞車燈的應(yīng)用，到汽車尾燈、轉(zhuǎn)向燈到煞車燈，甚是在幾年前已將LED光源設(shè)置在車內(nèi)作為照明之用，一步步開創(chuàng)了LED作為車內(nèi)外照明之用的想像空間。不同的應(yīng)用需求下必須有不同的LED封裝技術(shù)不同的LED元件有著不同的應(yīng)用途徑及環(huán)境範(fàn)圍，因此封裝方式也有其差異，倘若LED的晶片及封裝技術(shù)能夠進(jìn)一步提升，產(chǎn)品亮度更可提高一倍。當(dāng)隨著應(yīng)用層次的不同，汽車中心廠必須要選擇不同LED光源與封裝技術(shù)，才能面對車上各個(gè)不同的環(huán)境要求。一般來說，LED在汽車工業(yè)方面的應(yīng)用，乃是根據(jù)亮度的差異，將其簡單歸類為，指示燈號(hào)用、投射光源用與照明光源等三種不同類型的需求列示如下：指示燈號(hào)的應(yīng)用由於此範(fàn)圍所使用的LED光源流明值需求不高，其消耗功率也較低（約為70200mW），所生成的熱源對封裝體的影響較小，所以許多廠商在設(shè)計(jì)封裝時(shí)，往往會(huì)忽視掉熱源可能會(huì)導(dǎo)致的後果，因此，大部分是採用樹脂類的材料直接將LED整個(gè)包覆起來，再進(jìn)行封裝的動(dòng)作，也因?yàn)闃渲惖牟牧蠈稛岬膫鲗?dǎo)係數(shù)較低（W/mK），容易產(chǎn)生散熱不佳的情況，使得LED元件與散熱系統(tǒng)之間的介面熱阻係數(shù)，會(huì)因此而提高。車內(nèi)照明光源應(yīng)用除了上述所應(yīng)用車內(nèi)指示燈源之外，還可用於亮度要求較高的車內(nèi)照明、霧燈與前後方向指示燈。因?yàn)榱炼刃枨筇岣?，其封裝功率也必須相對提升。不過，如此一來，LED很容易就會(huì)因?yàn)楣β试黾佣绊懙缴仕p問題，因而不得不將散熱問題納入考慮的重點(diǎn)。在封裝設(shè)計(jì)上，除了可以使用樹脂類的材料封裝外，還可以設(shè)計(jì)一金屬塊能在第一時(shí)間便將LED所產(chǎn)生的熱源導(dǎo)出，以便維持LED的發(fā)光效率與熱阻問題。汽車投射燈源應(yīng)用這是目前在LED在汽車應(yīng)用上封裝亮度要求最高的一樣，以前照明系統(tǒng)為主，包含了霧燈、近燈、遠(yuǎn)燈，單個(gè)體的封裝必須達(dá)到4W以上，而熱阻則必須小於5K/W，才能在高溫的環(huán)境下，正常維持LED主體的散熱能力，保持LED光源的輸出效率在規(guī)定範(fàn)圍內(nèi)。不同的應(yīng)用層面對於亮度需求也有所不同基本上，以流明亮度的需求來看，一般在汽車內(nèi)部所使用的照明設(shè)備大約需要80流明的亮度，大多採用表面黏著型（Surface Mount Technology；SMT）的封裝方式，單體封裝約為2流明輸出之多，其發(fā)光效率則可以達(dá)到1520lm/W之間。其次，車用的第三煞車光源則約略需要30流明的亮度，一般採用直徑5mm的炮彈型（Lamp）封裝技術(shù)，藉以加強(qiáng)設(shè)計(jì)光照角度及強(qiáng)度，再透過樹脂透鏡安裝在發(fā)光元件上，而達(dá)到對光的調(diào)節(jié)，其單體封裝亮度約4流明，發(fā)光效率則可達(dá)2040lm/W。至於，汽車尾燈對於亮度的要求，約在300500流明之間，一般採用1W的SMT封裝技術(shù)，單體封裝亮度約1020流明，效率可達(dá)1540lm/W。以上是安裝在汽車上實(shí)際作為車體的光源量測數(shù)據(jù)，而目前LED廠與車廠正積極合作，試著將LED導(dǎo)入前照系統(tǒng)（頭燈、霧燈）中，其中車廠對於頭燈的亮度需求約2,000流明的白光，LED廠目前則應(yīng)用高瓦數(shù)的SMT LED封裝架構(gòu)，每單體封裝可輸出100200流明，效率預(yù)期提高至50100lm/W，目前使用於車上的燈源可區(qū)分為白熾燈泡、鹵素?zé)襞?、氣體放電式燈泡與LED光源。如何開始著手LED汽車頭燈設(shè)計(jì)規(guī)範(fàn)要求開始著手設(shè)計(jì)頭燈之前，應(yīng)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(jìn)一步考慮相關(guān)光學(xué)設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，耐熱設(shè)計(jì)與電控設(shè)計(jì)等細(xì)節(jié)，對於LED而言，光學(xué)設(shè)計(jì)的考慮除了反射罩設(shè)計(jì)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(jìn)一步將影響反射罩或成像透競的要求，與傳統(tǒng)頭燈設(shè)計(jì)需考慮不同燈泡（H1、H4、H7、H11等）類似。在傳統(tǒng)的頭燈設(shè)計(jì)上，燈泡本身的光子釋放來自加熱鎢燈絲，不會(huì)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(diǎn)落在整個(gè)頭燈腔體的均溫設(shè)計(jì)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，如汽車頭燈腔體約承受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。然而對於LED而言，其光子釋放來自於PN介面的能階跳動(dòng)，與溫度呈現(xiàn)負(fù)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(shè)計(jì)的重要課題。光學(xué)設(shè)計(jì)光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)先考慮法規(guī)需求，討論視角與強(qiáng)度關(guān)係，以近燈為例須針對其特殊的15度揚(yáng)角設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)的燈具設(shè)計(jì)上由先期的利用反射罩配合透鏡刻紋作角度與強(qiáng)度的控制，演變成為利用反射罩直接控制強(qiáng)度角度，也發(fā)展出利用成像方式的魚眼透鏡設(shè)計(jì)法。不論何種的設(shè)計(jì)方式都須先考慮選用光源的特性，特別是角度與強(qiáng)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(jìn)而發(fā)展出來與之搭配的透鏡、反射罩、擋板、透鏡等光學(xué)組件。而利用LED作為光源設(shè)計(jì)燈具時(shí)，需重新考慮其光學(xué)特性由傳統(tǒng)的柱狀光源變?yōu)槠矫婀庠矗M(jìn)而搭配外部的光學(xué)組件而產(chǎn)生不同組合以應(yīng)用於不同產(chǎn)品，依照德國車燈大廠HELLA的設(shè)計(jì)分類，可將光源分為八大類。LED目前的單位面積發(fā)光量尚不及鹵素?zé)襞菖c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(xué)設(shè)計(jì)的難度也隨之提升，所以在現(xiàn)有的概念車上，都以模組化光學(xué)設(shè)計(jì)取代既有的單一燈室設(shè)計(jì)，利用多組燈源達(dá)到傳統(tǒng)燈具的照明水準(zhǔn)，除了降低光學(xué)設(shè)計(jì)的難度，也增加車體造型的設(shè)計(jì)感。散熱問題由於LED的輸入電能約有90%的轉(zhuǎn)換熱能必須排出，這遠(yuǎn)比傳統(tǒng)燈源要來的高上許多；另外，LED晶粒歸類於半導(dǎo)體材料，不能耐高溫（120C），由晶粒至大氣的排熱只容許約50C溫差，更是遠(yuǎn)低於傳統(tǒng)燈泡，因此，散熱設(shè)計(jì)是LED光源區(qū)別於傳統(tǒng)光源的課題之一，再加上燈具不能使用風(fēng)扇散熱，而且燈具產(chǎn)品要能推廣到汽車市場普及，還得要進(jìn)一步考量到外觀造型與燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)原理，這將是高功率LED照明設(shè)備極為困擾的問題。嚴(yán)格來說，傳統(tǒng)所使用的燈具所產(chǎn)生的熱源其實(shí)遠(yuǎn)高於LED；不過，傳統(tǒng)燈具不會(huì)因?yàn)楦邷囟档推涔庠摧敵瞿芰Γ?，LED的光輸出卻會(huì)因?yàn)楸旧斫槊鎲栴}，使LED的發(fā)光效率受到影響。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。其中熱阻的概念，代表輸入W功率時(shí)，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 K2），但一般因?yàn)榉庋b膠材的關(guān)係，可允許的操作溫度約在125，除了考慮光源輸出效率之外，還必須要考慮封裝膠材的變質(zhì)，例如，樹脂類材料在作為包覆LED晶體時(shí)，若在高溫時(shí)容易產(chǎn)生的老化現(xiàn)象。目前有廠商發(fā)展出以熱力均溫超導(dǎo)技術(shù)，可將LED所產(chǎn)生的熱源進(jìn)行聚熱分散的效果；也就是說，當(dāng)LED燈具的溫差在正負(fù)1度的範(fàn)圍之間，再採用強(qiáng)制散熱技術(shù)，利用燈具所設(shè)計(jì)的防塵遮蔽的半開放式空間進(jìn)行空氣換氣的動(dòng)作，也就是可以讓空氣產(chǎn)生對流，而達(dá)到傳散熱能的效果。而這個(gè)發(fā)展概念就像人體散熱一樣，除靠皮膚散熱外，也靠第2個(gè)空間的肺，以進(jìn)行呼吸獲得強(qiáng)制散熱。結(jié)論在LED產(chǎn)業(yè)中，磊晶過程中容易導(dǎo)致晶片不均勻的狀況發(fā)生，而發(fā)展出所謂的分類銷售的過程，尤其是瓦數(shù)較高的晶片，在LED產(chǎn)業(yè)中更必須要進(jìn)行全檢才得以出貨，再根據(jù)LED波長進(jìn)行下一步的細(xì)部分類，雖然在進(jìn)行封裝之後，每顆LED的個(gè)體還是會(huì)在亮度、色溫、可靠度上存有細(xì)微的差異。而以LED作為汽車頭燈的應(yīng)用，將會(huì)採用多個(gè)晶片設(shè)計(jì)方面，才得以輸出足夠的發(fā)光效率以進(jìn)行汽車燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)。另外，需要關(guān)注的是LED的品質(zhì)檢測與品質(zhì)管控，才能確保LED具有相同品質(zhì)的燈源輸出效果。圖說：更高亮度和更低功耗是LED晶片產(chǎn)業(yè)的趨勢，而未來LED晶片必須要能同時(shí)滿足這2種需求，此外，低功率LED可以大幅延長電池壽命。（資料來源：ST）自從2004年以來，市場上至少已經(jīng)超過13家以上的汽車廠商在相關(guān)車展中，相繼展示出LED頭燈為市場需求的概念車款。甚至，Lexus汽車更將於2007年，推出一款以LED為頭燈的量產(chǎn)汽車，相信以LED汽車上的燈源所遇