照亮前方—LED汽车头灯的设计要点

时间：10-07 来源：电子工程专辑点击：

图5 欧盟法规中的近光灯光型

光学设计时先考虑法规需求，讨论视角与强度关系，以近灯为例须针对其特殊的15度扬角设计，如图5所示。在传统的灯具设计上由先期的利用反射罩配合透镜刻纹作角度与强度的控制，演变成为利用反射罩直接控制强度角度，也发展出利用成像方式的鱼眼透镜设计法。不论何种的设计方式都须先考虑选用光源的特性，特别是角度与强度的光型输出(Beam pattern)，对传统的光源而言，大多为柱状光源，可产生类似蝴蝶外型的光型输出，进而发展出来与之搭配的透镜、反射罩、挡板、透镜等光学组件。而利用LED作为光源设计灯具时，需重新考虑其光学特性由传统的柱状光源变为平面光源(不同的封装设计有不同的光型输出)，进而搭配外部的光学组件而产生不同组合以应用于不同产品，依照德国车灯大厂HELLA的设计分类，可将光源分为八大类，如图6 所示。LED目前的单位面积发光量尚不及卤素灯泡与放电式灯泡，想得到相同的流明输出，LED需要较大的封装面积。随着光源输出面积的增加，光学设计的难度也随之提升，所以在现有的概念车上，都以模块化光学设计取代既有的单一灯室设计，利用多组灯源达到传统灯具的照明水平，除了降低光学设计的难度，也增加车体造型的设计感。
图6 头灯设计相关技术
资料来源：Hella

散热设计是LED光源区别于传统光源的课题之一。传统灯具产生的热远高于LED，但传统灯具不会因为高温而降低其光源输出能力，但LED的光输出却会随着本身接口(Junction, PN接口)温度的升高而下降，如图8所示。而其产生的热如何散除到外界环境与其封装结构材料息息相关，牵涉到使用的散热材料与相关外型，关系如图9所示，其中热阻的概念，代表输入W功率时，需要提高多少K温度才足以散热。以现有的封装技术最高可允许LED操作在185℃(Lumiled K2)，但一般因为封装胶材的关系，可允许的操作温度约在125℃，除了考虑光源输出效率之外，亦考虑封装胶材的变质(树脂类材料在高温有老化现象)。
图7 LED光源设计
资料来源：Hella

图8 接口温度对光源输出的影响
资料来源：Lumiled

引擎室的温度在灯具附近最高可到85℃，配合Lumiled K2可有100℃的散热空间，但若配合一般的LED则只有40℃的散热空间，观察相关热阻，R_Junction-Slug、R_Slug-Board都决定于封装体，对设计者而言只能针对R_Board-Ambient努力，其中包括如何将封装体固定于散热基板上(接着质量)、散热结构外型设计、主被动散热考虑与外部环境等条件。因此在此处应该与机构进行相关模拟设计，取得灯具在引擎室内的流场与温度条件后再考虑所需的散热模式，若选用被散动热得需要较大的散热空间，对引擎是而言是不小的负担，若选用主动式散热，虽然所需散热环境较小，但因为增加了风扇等可动件，反而需考虑此可动件可否通过车灯上的相关法规，包括震动、粉尘、腐蚀与湿气等严苛环境。
图9 封装与散热热阻关系
资料来源：Lumiled

LED在头灯应用上遭遇的难题

LED应用于头灯上在许多的车展上各家车厂都有展示相关的概念车，但在头灯部分尚未看见有成品出现，仍有需多问题尚待解决。其中主要问题应在于亮度输出、散热问题与误差设计。

头灯的亮度需求近灯900流明，远灯1100流明，整体需求2000流明，约是Lumiled生产40颗1W封装体Luxeon emitter在25℃的总光源输出，但当其外界温度升高至50℃时，其效率将降至80%以下，且其光源输出面积约90_2(气体放电式灯泡约13_2)，设计难度亦随之提升。

在LED产业中，应对磊晶造成芯片的不均匀而发展出所谓的分类销售的过程，特别是高瓦数的芯片在LED产业上是全检出货，依照波长亮度进行分类，也因此封装后的个体存在着细微的差距，此差距可能存在于亮度、色温或是可靠度上。然而应用LED于头灯时，不可避免会利用多颗芯片以输出足够亮度进行光学设计，此时需特别注意LED质量检测与质量控制的环节，以确保相同质量的光源输出。

结语

自2003年以降，超过13家以上的车厂在相关车展上展出以LED头灯为诉求的概念车。例如，Lexus车厂发布消息，在2007年中将推出一款以LED为头灯的量产车。相信存在于LED的相关工程问题将在消费者的殷殷期盼下一一解决，且让我们拭目以待。(本文选自台湾《零组件》杂志)

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