摘要：LED在汽车绿色照明中发挥着十分重要的作用，但是在具体使用的过程中会产生高效率发热的现象，因此，要想延长LED前大灯的受用寿命，就必须采取有效的措施解决LED前大灯的光源散热的问题，本文主要对LED在汽车应用中的散热以及光衰的解决方法进行了深入的分析，希望在一定程度上可以延长LED前大灯的使用寿命。
关键词：LED汽车大灯；光衰；大功率LED；高效散热
根据实际情况可以了解到，半导体材料的工作效率和质量经常会受到环境温度条件的影响，大功率LED在进行光电转换的过程中达不到一定的工作效率，通常情况下只有20%左右的电能转化成了光能，剩余的大部分能量都转换成了热能。传统意义上的卤素灯虽然亮度没有LED高，但是最终产生的光能受温度变化的影响小，所以设计的关键就在于控制好LED光源的温度变化。目前，散热与光衰成为了LED设计过程中所面临主要问题。
1、汽车前大灯的散热技术
1.1 被动散热与主动散热
一般情况下，在进行散热设计的过程中，大功率LED在进行焊装时需要被固定在散热器上。LED在使用的过程中所散发的热量会通过电路板最终输送给铝质散热器，铝质散热器在与空气进行接触之后就会将热量进行挥发。要想将散热器与电路板之间的热阻进行不断的降低，在进行设计的过程中就必须采用导热材料。另外对于散热器材料的选择一定要对形状与面积进行充分的考虑，保证散热器的散热面积可以满足LED大灯散热方案中的相关需求，通常情况下这种散热方式就属于被动散热。
主动散热在进行设计的过程中通常都会采用热管以及液冷、风冷的形式来完成，液冷所使用的液体需要在泵的带动下才能将热量进行挥发，而热管则是需要具备导热性能的元件在封闭的真空管内进行热量的传递，由此可以看出，这两者在性质上都不适合在车灯内进行使用。风冷是散热设计中有着非常广泛的使用，不但可以减少成本的投入，同时在安装的过程中还能减少整体的难度。
1.2 LED散热通道设计
在进行LED散热通道设计的过程中，需要将其焊接在印制板的上层，LED灯的底部需要与PCB的敷铜面焊接在一起，要想有效的提高LED灯的散热速度，就需要采用敷铜层作为主要的散热面，这也是目前使用最广泛大的一种散热结构。
2、车灯环境的系统设计
结合目前的实际情况来看，LED对于光的输出效率普遍很低，为了实现汽车前大灯的配光具体的稳定性，LED在应用的过程中需要依靠一定的LED元件形成模组，只有这样才能满足车灯中的具体要求。
（1）扩大散热面积来提高传导效率。在对LED汽车前大灯进行试验设计的过程中，先将多个LED分布在相应的铝基板上，通过这种紧密排列的方式会在很大程度上增加散热的难度。在这次试验中将铝基板与散热器固定在一起，并在这两者之间设置了一定的导热硅脂，在整个的散热系统中硅脂在其中发挥着十分重要的作用，在这次试验中选择的硅脂导热系数已经超出了4W/m。K。
（2）强制对流提供与外界空气互相交换。可以在散热器的背面安装一些散热设备，从而可以加强空气的流动性。比如可以在散热器上安装风扇，风扇在一定程度上可以加快散热片的热交换速度，同时流动的空气也能在PCB板上输送走一定的热量。因为LED的体积比较小，并且在整体上是处于封闭状态，与外界的空气很难实现互相流通，通过风扇中的强制对流可以有效的调节散热器与周边温度不平衡的现象，从而可以使灯具内部的温度与外界的温度实现均衡，然后通过外置散热器可以将灯具内部的温度有效的排出，具体如图1a所示。
图1 风冷与外置装置
（3）散热器部分设置。结合发动机舱内的分布状况以及灯具安装过程进行考虑，在对灯具散热器进行设计的过程中可以分为内置与外置两个部分，具体如图1b所示。对于外置散热器的安装位置可以设置在灯壳的边缘上，内置LED所散发出的热量可以通过内置散热器输送到灯具的外部。通常情况下，灯具都是在汽车启动的状态下才会打开，当汽车在行驶的过程中发动机舱在强对流风冷的作用下温度会呈现下降的趋势。另外，车灯的外壳会暴漏在车前盖的缝隙处，当车辆在行驶时车前盖会受到一定的气流，外置散热器会在这些气流的作用下对灯具的降温发挥出良好的散热作用。
3、试验方法和数据
3.1 试验设置和设备
结合相关的理论设计以及数据分析，制作出了试验模型以及LED前大灯试样。在对LED样件进行制作的过程中一定要贴近理想产品，争取试验结果可以更好的转换为实际中的产品。在灯具内需要安装以LED为主要光源的远光灯、近光灯以及转向灯、位置灯，然后在整个的试验中需要对灯内温度的变化以及温度变化下对光衰的影响做好相应的记录。
在这次试验中主要的测试设备为电综合分析系统、车灯配光自动测试系统以及多点温度检测仪。测试的主要内容包括了车灯的照明情况、光的类型、LED光源的温度、PCB温度以及散热器的温度等，并且在试验中采用的这些设备自身必须具备自动记录功能，从而才能更好的分析散热与光衰之间的关系。
3.2 试验数据
图2所显示的是LED光源温在不同散热方式下与光衰关系的曲线图，通过图中的相关信息可以看出，PCB散热器的被动散热与强制对流中的主动散热在设计上存在着很大的区别，PCB强制对流的主动散热在100℃以上的时候，一般还可以提供75℃以上的出光率。
图2 散热效果不同对光衰的影响
通常情况下，在进行功率器件散热计算的过程中，结温只需要保持在最大结温温度之内。但是在大功率LED的散热设计中，对于具体的温度有着一定的要求，结温必须要低于120℃，这主要是因为温度将直接关系到LED的出光率以及最终的使用年限，当温度升高的时候LED的出光率就会发生下降，并且最终的使用年限也会相应减少。大功率LED的结温在亮度减少到60%时与寿命之间的关系如图3所示。
图3 LED结温影响使用寿命
在以上内容中对图1b所示的前大灯试样做出多种条件下的光衰对比试验，试验在进行的过程中必须保证LED具有很好的散热性能，将模组安装在灯具之内，温度检测点在LED光源的周边。在对试验数据进行采集的过程中环境温度是在灯具的外部进行变化的，通过具体的试验结果可以看出，当灯具所处的环境温度达到60℃时，光衰会呈现平稳现象，当温度达到了100℃时，光衰就会发生非常严重的变化，具体如图4所示。
图4 不同温度环境下LED的光衰
4、结语
当LED所处环境的温度升高时，LED的光衰以及发光的效率和使用寿命就会受到非常严重的影响。当采用LED作为汽车的前大灯时，一般都会采用多个LED芯片应用到设计当中。因此，在对LED前大灯进行设计的过程中，一定要对设计中所处的温度进行有效的控制，然后在结合LED工作时所处的环境对功率进行适当调整，从而才能促进LED前大灯在未来得到更加广泛的使用。
参考文献
[1]张晓玲,卫修明. LED汽车前大灯散热与光衰研究[J]. 安徽工程科技学院学报(自然科学版),2010,01:62-64.
论文作者:蔡庆元
论文发表刊物:《防护工程》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/23
标签：温度论文; 散热器论文; 过程中论文; 前大灯论文; 灯具论文; 汽车论文; 车灯论文; 《防护工程》2017年第15期论文;