思維風(fēng)暴：看頂尖LED前照燈設(shè)計(jì)

　　市光工業(yè)并未公布結(jié)溫接近室溫時(shí)的發(fā)光效率。一般而言，實(shí)際使用環(huán)境下的發(fā)光效率通常要比結(jié)溫接近室溫時(shí)低數(shù)十個(gè)百分點(diǎn)。

　　從基礎(chǔ)設(shè)計(jì)起便實(shí)施熱流體解析模擬

要想降低LED前照燈的耗電量，只通過(guò)第一回中提到的配光控制來(lái)減少白色LED的光損失，并在少數(shù)幾個(gè)地方獲得所期望的配光特性是不夠的。此外還必須能夠在高效狀態(tài)下使用白色LED。而其中的關(guān)鍵就在于如何使白色LED產(chǎn)生的熱量釋放出去的散熱設(shè)計(jì)。其實(shí)，輸入白色LED的功率大都變成了熱能。如果這些熱量使白色LED的溫度上升，則發(fā)光效率就會(huì)下降，導(dǎo)致發(fā)熱量增加。這樣一來(lái)，就會(huì)陷入發(fā)光效率進(jìn)一步下降、發(fā)熱量變得更大的惡性循環(huán)。

圖7：前照燈熱設(shè)計(jì)的定位

圖8：LED前照燈的建模

　　此次市光工業(yè)在LED前照燈的散熱設(shè)計(jì)中使用了熱流體解析模擬技術(shù)。在前照燈散熱設(shè)計(jì)中使用熱流體解析模擬的情況并不少見(jiàn)，不過(guò)，此次是在更上游的設(shè)計(jì)過(guò)程，也就是樹(shù)脂等材料的耐熱性、對(duì)流、部件布局及散熱片的設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中使用了該模擬技術(shù)，由此高效推進(jìn)了散熱設(shè)計(jì)。

　　前照燈的熱設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、試制試驗(yàn)以及設(shè)計(jì)變更這四大過(guò)程后應(yīng)用于產(chǎn)品（圖7）。據(jù)市光工業(yè)負(fù)責(zé)散熱設(shè)計(jì)的菊池和重（開(kāi)發(fā)本部核心工程部模擬課資深專家、解析技術(shù)高級(jí)工程師）介紹，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，雖然模擬用模型的建模難度并不高，所花工時(shí)并不多，但通過(guò)計(jì)算獲得的信息卻占到了整個(gè)設(shè)計(jì)的60％之多（圖8）。此次LED前照燈通過(guò)在這一基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中使用模擬技術(shù)，獲得了顯著效果。

由于能夠分離光和熱，可應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中

　　那么，此次為何能夠在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中使用模擬呢？其答案就在于LED前照燈中的熱量的流動(dòng)特點(diǎn)。從白色LED為起點(diǎn)的散熱路徑來(lái)看，其流動(dòng)途徑為：

作為發(fā)熱源的LED芯片
↓
配備LED芯片封裝的安裝基板
↓
使安裝基板的熱量向整個(gè)封裝底面擴(kuò)散的熱擴(kuò)散器
↓
散熱裝置（散熱片等）的連接部
↓
散熱裝置（散熱片等）
↓
外部空氣

　　可以說(shuō)，從白色LED到外部空氣的整個(gè)路徑均為串聯(lián)狀態(tài)（圖9）。而鹵燈及HID燈等已有光源的散熱路徑頗為復(fù)雜。原因在于燈源本身同時(shí)向外部空氣放射光與熱。也就是說(shuō)無(wú)法以簡(jiǎn)單的串聯(lián)狀態(tài)體現(xiàn)出來(lái)。因此，其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的散熱模型較為復(fù)雜，只能在試制試驗(yàn)及設(shè)計(jì)變更的過(guò)程中使用模擬。

圖9：前照燈用白色LED和散熱路徑

LED的光線是從表面向外部空氣放射，而熱量是從背面向前照燈的外殼放射，光與熱處于分離狀態(tài)。由于LED表面的熱放射可忽略不計(jì)，因此熱量的流動(dòng)途徑便如上所述。所以，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的建模變得簡(jiǎn)單，能夠?qū)嵤崃黧w解析模擬。憑借模擬效果，此次LED前照燈的熱解析實(shí)現(xiàn)了±2℃的計(jì)算精度，只用兩天時(shí)間就完成了散熱設(shè)計(jì)。

　　利用模擬對(duì)散熱片等部分進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)并掌握大致形狀及基本性能后，市光工業(yè)試制了1次產(chǎn)品。然后經(jīng)過(guò)最佳形狀和細(xì)微部分的設(shè)計(jì)，進(jìn)入了對(duì)最終形狀下的散熱性能進(jìn)行確認(rèn)的量產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。由于計(jì)算精度較高，因此還有可能在下次及以后不試制產(chǎn)品便使用于量產(chǎn)。此次是市光工業(yè)首次量產(chǎn)LED前照燈，因此還是試制了實(shí)際產(chǎn)品。另外，散熱片及配光控制用反光鏡等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的熱模擬耗時(shí)約2個(gè)半小時(shí)，而白色LED到散熱片只需1個(gè)半小時(shí)。此次將散熱片等部分劃分為約70萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行了計(jì)算。

降低散熱片和連接部的熱阻

　　據(jù)市光工業(yè)介紹，此次進(jìn)行LED前照燈的散熱設(shè)計(jì)時(shí)，還探討了散熱路徑中的散熱片連接部及散熱片本身的設(shè)計(jì)。其原因在于，LED產(chǎn)品是在LED芯片乃至熱擴(kuò)散器都收放在白色LED封裝內(nèi)的狀態(tài)下從LED廠商采購(gòu)的，前照燈廠商無(wú)法變更。

　　在散熱片連接部及散熱片方面，要解決的問(wèn)題是如何降低連接部和散熱片本身的熱阻。要想降低連接部的熱阻，尤為重要的是：（1）使用線夾、彈簧及螺釘?shù)葋?lái)保持將白色LED按壓在散熱片上的壓力及均勻的接觸面積；（2）考慮采用散熱膏及導(dǎo)熱片，并對(duì)其伴隨時(shí)間的劣化以及面積、厚度進(jìn)行管理。在散熱片方面，需要在不組合冷卻扇、且不影響前照燈設(shè)計(jì)的大小及形狀上下工夫。此次進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)前提是向每個(gè)白色LED輸入的10W功率中會(huì)有9W變成熱量。由于所配白色LED的最大額定值為130℃（白色LED的表面溫度），因此是按照任何用途都不會(huì)達(dá)到130℃進(jìn)行的設(shè)計(jì)。

　　未來(lái)力爭(zhēng)只使用1個(gè)白色LED

　　市光工業(yè)提出了新一代LED前照燈的目標(biāo)，這便是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)光燈和近光燈的光源一體化，每個(gè)前照燈只使用1個(gè)LED等。目的是降低耗電量并通過(guò)減少部件數(shù)量來(lái)推進(jìn)低成本化、小型化及輕量化。目前該公司正在朝著這一目標(biāo)推進(jìn)開(kāi)發(fā)。此次推出的LED前照燈在遠(yuǎn)光燈時(shí)使用鹵燈，在近光燈時(shí)使用了2個(gè)白色LED。

　　如何才能將這些光源減為1個(gè)呢？簡(jiǎn)單地說(shuō)，可以考慮將白色LED安裝的LED芯片從目前的4個(gè)增加到8個(gè)，或者將輸入白色LED的電流增加到2倍。但這些都不能算上策。增加LED芯片數(shù)量，成本就會(huì)上升。而增加輸入電流的話，LED芯片上的熱密度就會(huì)上升，進(jìn)一步使得LED芯片結(jié)溫上升，從而導(dǎo)致發(fā)光效率下降。而且這樣做，白色LED上也容易蓄熱。

　　不過(guò)，白色LED技術(shù)目前也在逐年進(jìn)步，市光工業(yè)預(yù)計(jì)2～3年后便可獲得亮度達(dá)到目前2倍以上、超過(guò)1000lm的白色LED。即使結(jié)溫升高，今后也會(huì)開(kāi)發(fā)出發(fā)光效率高的白色LED，并且通過(guò)降低熱阻、提高散熱性，發(fā)光效率還會(huì)比目前進(jìn)一步提高。開(kāi)發(fā)出此次使用的白色LED的飛利浦流明（Philips Lumileds Lighting）在2010年11月舉行的“Green Device 2010”上發(fā)表主題演講時(shí)，就曾宣布正在開(kāi)發(fā)亮度可達(dá)到1000lm以上的白色LED。

　　亮度超過(guò)1000lm的話，便能夠以1個(gè)白色LED實(shí)現(xiàn)LED前照燈。市光工業(yè)正在研發(fā)僅使用1個(gè)白色LED的LED前照燈，雖然尚未公布相關(guān)細(xì)節(jié)，但表示“在研究層面上很快會(huì)制作出來(lái)”（市光工業(yè)開(kāi)發(fā)本部研究開(kāi)發(fā)部P2P3第一項(xiàng)目組負(fù)責(zé)人村橋克廣）。該公司并未明確提出使用1個(gè)白色LED的LED前照燈何時(shí)達(dá)到實(shí)用水平，但技術(shù)上來(lái)看，“5年后在市面普及也不足為奇”（村橋）。

　　在市光工業(yè)2005年著手共同開(kāi)發(fā)此次的LED前照燈時(shí)，以2個(gè)白色LED來(lái)獲取足夠亮度還“是非常困難的事”（村橋）。不過(guò)，鑒于白色LED在技術(shù)上的不斷進(jìn)步，該公司仍對(duì)使用2個(gè)白色LED的設(shè)計(jì)展開(kāi)了攻關(guān)。目前該公司正基于白色LED技術(shù)進(jìn)步的設(shè)想，展開(kāi)僅使用1個(gè)白色LED的設(shè)計(jì)。

　　1個(gè)白色LED是新的起點(diǎn)

　　市光工業(yè)表示，LED前照燈配備1個(gè)白色LED并不是終點(diǎn)。雖然白色LED通常要采用多個(gè)LED芯片來(lái)獲得足夠的亮度，但是該公司還打算隨著LED芯片的性能提高，為進(jìn)一步降低成本而削減LED芯片的數(shù)量。這一目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)的話，便有望使白色LED實(shí)現(xiàn)小型化。而白色LED變得既小又便宜的話，就有可能使用多個(gè)白色LED來(lái)推進(jìn)可變配光系統(tǒng)的進(jìn)步。

　　市光工業(yè)介紹說(shuō)，該公司還考慮將半導(dǎo)體激光器作為繼LED之后的新一代光源。半導(dǎo)體激光器通過(guò)連接光纖，可使光的發(fā)射部和發(fā)熱部（