LED汽车近光灯设计.doc

IIILED汽车近光灯设计摘 要LED光源作为汽车照明系统的一门关键技术，LED汽车近光灯的配光设计是一个具有挑战性的研究课题。依据GB 4785-1998选择偏蓝成分较少的暖白色LED光源，采用多椭球反射杯、挡光板和非球面透镜的投射式系统，设计出一套LED汽车前照灯。其中每个LED光源都有各自独立的光学系统，设计了消球差的非球面透镜和平面挡光板，模拟分析了多椭球反射杯垂直截面椭圆和水平截面椭圆的最佳焦距。采用3个单个LED光学系统构成近光系统，通过光学软件Tracepro反复调用不同的模型来追迹光线得到最后的配光效果。在近光的基础上增加4个单个LED光学系统构成远光系统，其近光系统明暗截止线很清晰且近光和远光系统配光性能的模拟结果都满足GB 4599-94要求。关键词：LED汽车前照灯，投射式系统，配光性能，光学设计Design of Automotive Headlamp with LEDABSTRACT As a key technique on automotive lighting system, light distribution design of LED automotive headlamp is a challenging research subject. An automotive headlamp of LED based on GB4785-1998 was designed with poly-ellipsoid reflectors, shields and aspheric lens choosing a warm white LED source that contains a little of blue color. Each LED has its optical system respectively. The best focus of the poly-ellipsoid reflectors vertical and horizontal section e1lipses was simulated. The paper uses three single LED optical systems to constitute the automotive headlamp systems. The final results were achieved by using Tracepro after calling different lens model iteratively. A higher beam lamp of four LED systems was constructed in the system of lower beam lamps. The photometric result accords with GB4599-94 when the lower and higher learn lamps were simulated.KEY WORDS: LED automotive headlamp, project system, photometric characteristics, optical design 目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 LED汽车近光灯的研究现状和发展趋势11.2 论文的主要研究内容12 LED汽车灯具基础知识22.1 发光二极管简介22.2 汽车近光灯概述32.2.1 汽车近光灯32.2.2 灯具的国家标准42.2.3 汽车灯具中涉及的光学定律52.2.4 汽车灯具设计概述63 汽车LED近光灯的光学设计和仿真83.1 一次光学设计93.1.1 两种建立LED光学模型的方法93.1.2 仿真结果与测试结果的对比123.2 二次光学系统设计153.2.1 投射式方案153.2.2 近光模拟结果183.3 本章小结204 LED汽车灯具散热技术研究214.1 散热重要性分析214.2 LED灯具散热通道分析224.3 LED汽车灯具热阻系统224.4 提高LED灯具散热性能的措施分析264.4.1 改善后雾灯LED散热的措施264.4.2 其它改替灯具LED散热的措施274.5 本章小结285 总结与展望29致谢30参考文献31附录 球带系数法32附录 抛物面的光学性质3543LED汽车近光灯设计1 绪论1.1 LED汽车近光灯的研究现状和发展趋势随着我国经济的迅速增长，人民收入的增加和生活水平的提高，汽车需求量也迅速增加。2002到2005年全国汽车销量从325万辆递增到576万辆，中国成为当今世界汽车销售增长最快的地区。汽车前照系统主要用于夜晚或恶劣环境下的道路照明。夜间的行车量占总行车量的25%，而发生在夜间的交通事故却占总交通事故的47%。导致夜间交通事故频频发生有诸多原因，近光灯性能的衰退是其中的一个主要原因。汽车灯具是汽车的重要部件之一，用于外部照明或反映汽车行驶状态，对汽车驾驶安全起十分重要的作用。传统的前照灯光源有白炽灯、卤素灯及高强度气体放电灯(High Intensity Discharge Lamps, HID)，白炽灯和卤素灯的使用寿命一般只有几百个小时，HID的使用寿命也只有几千个小时。因此，寻求一种新型耐用的光源来取代传统的光源对提高近光灯的性能以及减少夜间交通事故的发生有积极的作用。发光二极管( Light Emitting Diode, LED)是21世纪具有竞争力的新型固体光源，与传统光源相比它具有寿命长、体积小、能耗低、可靠耐用、响应快、设计灵活、控制灵活等优点。 LED已广泛用于车内照明装置及车外信号装置。随着白光LED技术的发展，单粒LED的光通量将不断提高,LED取代传统光源用于近光灯已成为必然趋势。同时，由于LED设计及控制灵活，以LED为光源的自适应前照系统可以更有效地实现光束的自适应功能1。目前限制LED应用于汽车前照系统的主要因素有:单粒LED的光效和光通量、系统的光效。单粒LED的光效和光通量决定了LED近光灯所用LED的数量，进而决定了LED近光灯的结构及热处理方式。近光灯的光效定义为由光源出射的每单位流明的光通量中照射到地面的光通量所占的比例，光效越高近光灯所用LED的数量越少。1.2 论文的主要研究内容针对LED近光灯面临的主要问题，本文以GB4599- 94为标准，给出了一种LED前照近光灯的配光设计方案，然后通过设计实例逼近该配光方案，定性和定量地验证了该配光方案的可行性，为今后LED汽车前照系统的设计提供了有利的指导。2 LED汽车灯具基础知识本章主要讲述了LED汽车灯具的基础知识，首先介绍了发光二极管的发光原理、主要技术参数及其分类，接着介绍了汽车近光灯，归纳了国家标准对汽车灯具的要求，阐述了汽车灯具设计中用到的几何光学的三个基本定律，并概述了汽车灯具设计方法，尤其是LED汽车灯具的设计过程，最后阐述了用球带系数法估算汽车灯具所需LED数目的方法，并给出了详细的计算过程和各种灯具所需LED数目的列表。2.1 发光二极管简介发光二极管简称LED(Light Emitting Diode)，属于电致发光中的注入式发光，它是利用PN结中载流子复合而发光的器件。LED是结型电致发光器件，它的基本发光原理是在半导体的PN结上加正向电压，PN结势垒降低，N区的电子和P区的空穴分别越过势垒进入P区和N区，注入少数载流子与多数载流子在复合时，多余的能量以光的形式辐射出来，将电能直接转换为光能。LED发光可以是带间辐射复合，也可以是杂质或缺陷中心与主带之间的复合。对于直接带隙半导体材料(如-化合物中的GaN、InN、InP、GaAs、InAs和所有的-族化合物)，辐射过程不需要声子参与，具有较高的发光效率。对于间接带隙半导体材料(如Ge、Si和-族化合物中的GaP、AlAs、AISb)，导带顶和价带底不在布里渊区的同一点，复合过程需要声子参与，是一个二级过程，复合几率和发光效率都很低，但是可以通过掺入适当杂质，改变其复合几率，提高发光效率。例如在LED产品中广泛使用的GaP系材料，GaP是本身是间接带隙材料，当掺入氮、锌或氧时，则能形成等电子陷阱，使电子与空穴的复合几率大大增加，显著提高了GaP的发光性能，使其成为普通亮度红、黄绿波段LED的主要材料2。采用直接带隙半导体材料制作的LED，发光的能量近似等于材料禁带宽度Eg(eV)，发光波长与Eg(eV)之间满足如下关系： 1240/Eg (nm) （2-1） 2-1式中Eg的单位为电子伏特（eV )。若能产生可见光(波长在380nm紫光780nm红光)，半导体材料的Eg应在 3.261.63eV之间。根据发光的波长不同，就有红、橙、黄、黄绿、绿、蓝、紫等各种颜色的发光二极管。LED的主要技术参数有电学、光度学和色度学参数等，主要包括正向压降、反向漏电流、发光效率、光通量、光强、半值角、寿命、波长及色坐标、色温等。通常选用不同的参数作为衡量LED性能的主要指标，下面分别予以介绍：（1）正向压降指每个LED通过的正向电流为规定值时，正、负极之间产生的电压降，用符号VF表示，由不同材料制成的LED具有不同的VF值，此外电极材料和封装工艺也对VF有较大的影响。（2）反向漏电流指给LED加上规定的反向电压时，通过LED的电流，用符号IR表示。正常的LED，IR值应接近0。的大小除了和芯片本身的质量有关外，还和组装时芯片安放状态有关。（3）发光效率指输入单位功率的电能时，LED发出能够被人眼视觉所能接受的光能量，反映了LED的光电转换效率的高低，通常也称为LED的流明效率，单位为lm。（4）光通量指单个LED向外辐射的各种波长光的辐射能量中，能够被人眼所感觉的那部分称为光通量，一般用符号表示，单位lm。（5）光强光强是指LED在特定发光方向的单位立体角的发光强度，通常用法向光强表示，用符号I表示，单位坎德拉(简称cd)。（6）半值角在发光强度-角度分布图中，发光强度等于最大强度一半构成的角度称为半值角，是用户评价LED发光角度大小的重要指标，用符号1/2表示。（7）波长和色坐标波长和色指标都是反映LED的发光颜色的物理量，LED作为状态指示应用时，通常用主波长或峰值波长作为主要参数。在大屏幕显示和照明领域，用色坐标能够更好地反映LED的颜色特征。（8）色温LED与绝对黑体在可见光区域(0.40.7)具有相同形状的光谱能量分布时的绝对黑体对应的温度，称为LED的色温。2.2 汽车近光灯概述2.2.1 汽车近光灯传统的近光灯光源有白炽灯、卤素灯及高强度气体放电灯（High Intensity Discharge Lamps，HID），白炽灯和卤素灯的使用寿命一般只有几百个小时，HID的使用寿命也只有几千个小时。因此，寻求一种新型耐用的光源来取代传统的光源对提高近光灯的性能以及减少夜间交通事故的发生有积极的作用。LED以其体积小、寿命长、能耗低、耐震动、启动时间快、环保等优势已经成为新一代汽车光源技术的首选。大功率白光LED在汽车前照灯上的应用将成为车用LED市场增长的重中之重。近光灯具体的功能如下：机动车超车时，应当提前开启左转向灯、变换使用远、近光灯或者鸣喇叭。夜间会车应当在距相对方向来车150米以外改用近光灯，在窄路、窄桥与非机动车开车时应当使用近光灯。向左转弯时，靠路口中心点左侧转弯。转弯时开启转向灯，夜间行驶开启近光灯；机动车在夜间没有路灯、照明不良或者遇有雾、雨、雪、沙尘、冰雹等低能见度情况下行驶时，应当开启前照灯和后位灯，但同方向行驶的后车与前车近距离行驶时，不得使用远光灯。机动车雾天行驶应当开启雾灯和危险报警闪光灯。机动车在夜间通过急弯、坡路、拱桥、人行横道或者没有交通信号灯控制的路口时，应当交替使用远近光灯示意。2.2.2 灯具的国家标准目前我国标准基本上是参照ECE的配光方式制定，而国际上也有向ECE靠拢的趋势。ECE法规对前照灯中近光灯配光性能有着严格的规定。前照近光灯是一种在夜间低速行驶时使用的照明灯，使用时不但应保证在车前40m处司机能看清障碍物，而目不能让迎面开车司机或行人产生眩目。GB4599-94要求用一种带清晰明暗截止线的近光型的前照灯来满足上述近光照明要求，采用的近光灯配光屏幕如图2-1所示，配光屏上各测试点及测试区域的照度要求如表2-1所示。表2-1 LED前照近光灯配光要求测试点或测试区域要求限值（xl）B50L0.475R1275L1250R1250L1550V1225L1525R2III区任何点0.7IV区任何点3I区任何点2E50R 图2-1 近光灯配光屏光色特性：使用LED光源的汽车信号灯其色度检测应该在13.5或28.0V电压下进行测量。前照灯所需的白色光源的色坐标和色温范围为0.363x0.5，0.382y0.44,2368Tc4532K，满足以上光色要求的LED光源为自然白色光源和暖白色光源3。物理性能：应该满足GB4785-1998汽车及挂车外部照明和信号装置的安装规定中对灯具的各种试验要求。2.2.3 汽车灯具中涉及的光学定律汽车灯具的工作原理就是利用光学元件对光线的作用，重新分配光线的空间分布的过程，所以汽车灯具的设计过程中，必需进行光线传播路线的计算，为此我们必须了解几何光学的三个基本定律:直线传播定律、折射定律和反射定律。光的直线传播定律：光线在均匀介质中沿直线传播。光的反射和折射定律：设介质1、2都是透明、均匀和各向同性的，且它们的分界面是平面，如图2-2所示。入射光线法线反射光线折射光线 媒介1媒介2i1i2i3图2-2 光线反射和折射当一束光线从介质1中传播到分界面时，光线分成两束:折射光线和反射光线。在图2-2中，分界面法线与入射光线的夹角入射角，分界面法线与反射光线的夹角反射角，分界面法线与折射光线的夹角折射角，试验证明有： （2-2） （2-3）其中：和分别为介质1和介质2的折射率。比例常数称为第2种介质相对于第1种介质的折射率，式(2-3)也称为菲涅耳定律。2.2.4 汽车灯具设计概述计算机辅助设计(CAD)技术的飞速发展，使得照明光学系统的研究方法发生了巨大的变化，这主要表现在光学机构仿真软件在照明产业中的普及。在我国大陆用的较多的是TarecPro，而台湾地区则以ASAP较为流行。TracePro是由美国Lambda Research公司所开发出来的一套普遍用于照明系统分析、光学分析、辐射分析以及光度分析的光线模拟软件。它是是一套结合了真实固体模型、强大光学分析功能、信息转换能力强及易上手的仿真软件。蒙特卡罗方法4，也称随机模拟法、随机抽样技术或统计试验法，其基本思想是:首先建立一个与求解的概率模型或随机过程，使它的参数等于所求问题的解，然后通过对模型或过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征，最后给出所求解的近似值。TracePro的光线追踪正是采用了蒙特卡罗方法。LED车灯制造企业生产的车灯设计生产依据仍多是国标、SAE等标准，为使得LED车灯光源的配光、外形符合传统标准，LED光源必须设计成三维阵列，通过调整LED发光方向来达到配光目的，对汽车灯具设计而言是一种新技术。由于LED光源的单色性，不需加滤色片便可以直接选用不同波长的LED元件设计具有不同功能的转向灯，制动灯，倒车灯等。由于LED侧向散光少，灯具的反射杯作用比用传统灯泡更不明显，故LED光源阵列的分布要分散，与传统灯泡恰恰相反，分散的目的也更能符合视觉习惯。对于泛照明系统，使用最广泛的是V-H坐标系统，如图2-3所示。测试方向一般用两个角度表示：水平角（H代表Horizontal）和垂直角（V代表Vertical）。在配光屏幕上，通过基准中心的水平线和垂直线分别成为H-H线和V-V线，水平角H表示测量方向与HH线所呈面与水平面（V=0）的夹角(左为负，右为正)；垂直角表示测量方向与V-V线所呈面与垂直面（H=0）的夹角（下为负，上为正）。VVHHv图2-3 H-V坐标系球带系数法就是典型的应用H-V坐标系的例子，为了估算汽车后组合灯所需要的LED的数目，我们要采用球带系数法估算整个灯具所需要总光通量。3 汽车LED近光灯的光学设计和仿真 针对LED近光灯面临的主要问题，本文以GB4599- 94为标准，给出了一种LED前照近光灯的配光设计方案，然后通过设计实例逼近该配光方案，设计流程如图3-1所示：图3-1 配光设计技术路线3.1 一次光学设计将LED芯片封装成LED光电器件，必须进行光学设计，这种设计称为一次光学设计。一次光学设计主要是决定发光器件的出光角度、光通量大小、光强大小、光强分布、色温范围和色温分布等。在使用LED发光器件时，整个系统的出光效果、光强、色温的分布状况也必须进行设计。这称为二次光学设计。光学建模(Optical Modeling)是目前国际上设计照明光学系统的通用方法，它包括系统的实体建模以及在实体建模的基础上所赋予各个实体表面光学属性的一系列过程。光学建模是照明光学系统设计的一个极其重要环节，它的精确与否对后续的各种系统分析评价指标将产生直接影响。系统光学模型的建立能在产生一个可接受结果的情况下包含足够的精确度，同时保证建模的效率。照明光学系统中的光源在整个系统的光学建模过程中处于十分重要的地位，但是光源和光学系统之间并无严格的界限，这主要取决于系统的应用。LED的一次光学设计中，即LED发光管的建模，LED本身就是一个光学系统，这时LED芯片可以看作是该系统的光源。3.1.1 两种建立LED光学模型的方法在TacePro中建立光学模型，有两种方法：一是根据LED几何结构图建立模型，设置好反射面及材料折射等各项参数，将LED芯片当成朗伯体Lambertian光源处理，直接获得其光强分布曲线，图3-2所示是建立的食人鱼和大功率管的模型。LED主要包括几个部分，LED发光芯片、反光杯、连接正负极金线、粘合剂、环氧树脂等。从LED芯片出来的光，要经过多次反射和折射，从透镜表面射出，其光学模型比较复杂。影响反光二极管的发光强度分布主要取决于一下几个方面：LED的大小和芯片；支架反射碗的形状和尺寸；透镜的形状和尺寸。用此种方法建立LED光学模型时，做出几点假设：光从芯片随即出射，满足Lambertian分布；考虑光线反射与折射时，主要集中在芯片与反射碗，反射碗与树脂，树脂与空气接触面，其它不予考虑；分析光的传输时，出去光子的吸收、再循环以及电性、温度的影响；反射当成准理想的全反射（70%的吸收）；环氧树脂中加入散射剂时当成体积散射处理。试验证明：用简化的模型代替复杂的LED出光，跟实际LED光强分布在一定误差范围内很好的吻合，比较真实反映出LED光强分布；对优化LED封装，预测光强分布提供了一种有效的简单方法7。图3-2 食人鱼和大功率管芯片的模型方法一： （1）绘制3D机构图（以台湾某公司生产大功率LED为例）。使用软件自带的绘图功能，绘制结构简单的图形，一般而言，反射碗、晶片、透镜分开成单体便于设置属性及调整相对位置。镜片可以是简化的模型，可用一个长方体替代，需要注意的是各个单体之间的相对位置比较重要，应尽量与实际的一致。在Tracepro中插入模型，如图3-3所示。图3-3 LED的3D结构图（2）设置属性。需要设置属性的有：反射碗的表面属性，通常表面设置为mirror或根据实际自行定义；镜片的发光属性，包括Flux、光线追踪数量和发光的角度分布等；透镜或胶体的材料属性，主要是折射率和透光率。若这些属性能够贴近现实中物料的属性，则对一般的LED封装设计而言，这些属性已经能够模拟得比较准确了。（3）光线追迹及结果分析。在远场处设置、选择一个平面去观察光学模型的Far filed pattern，包括发光强度分布（坎德拉图）及出光效率等数值。另外一种方法是根据材料表面的特性，在不同的角度对光的吸收率不同，让各方向强度一样的均匀光线入射到该表面，由于吸收率不同，经过该面反射后沿不同角度强度也就不同，最终形成了光强在空间的不均匀分布。这样，就可以根据LED光谱分析仪中测量到的数据，将沿各个角度的不同光强相对值输入到TtraccPro中的材料表面特性中，只用一个小的出光面就可以近似取代整个LED模型，如图3-4所示。图3-4 佛山市国星光电科技有限公司某种型号LED的简化模型方法二：（1）建立一个Block或cylinder实体，尺寸与发光体相当，选择其中一个面设定发光属性，其中角度angular属性要设定为 surface absorpance；（2）新建一个面属性，用来设定LED发光面属性，编辑不同角度的吸收率absorpance，吸收率的大小等于LED光源在对应角度的光强度值，如图3-5所示，此值可以由LED光谱分析仪直接测量出，或者由LED规格书上光强分布图中得到；（3）将定义的面属性运用到定义的光源发光面上，追踪光线进行光线模拟；（4）在Tracepro中观测发光面的 Polar distribution图，可以获得所建立的光源的光强分布图；图3-5 表面属性定义窗口3.1.2 仿真结果与测试结果的对比采用佛山市国星光电科技有限公司生产的某型号LED，在LED光谱分析仪中测量到的光强角度图如图3-6所示：图3-6 测量LED光强分布图根据上述两种方法建立其光学模型，分别模拟其光强角度分布曲线，如图3-7(a)和3-7(b)所示：图3-7(a) 方法一模拟出的光强分布图 图3-7(b) 方法二模拟出的光强分布图分别读取测试结果及两种建模方法仿真结果在士5、士10、士15、士20、士25、士30、士35、士45、士55、士65的相对光强值，作出对比图，如图3-8所示:图3-8 仿真结果对比图从图3-8可以看出，方法二的仿真结果比方法一更加接近于实际的测量结果，基本上与实际测量值一致。两种方法各有利弊：方法二可以非常方便的建立LED模型，准确度取决于所取得的LED的角度光强的数据，但是忽略LED的内部结构和外形，这种方法适合于将LED作为光源的二次光学系统的设计，采用此简化模型可以节省系统资源，提高模拟的效率；方法一可以很好反映LED内部各结构对整体出光效果的影响，比较适合用于LED本身封装过程中的光学设计。3.2 二次光学系统设计在使用LED发光器件时，整个系统的出光效果、光强、色温的分布状况也必须进行设计，这称为二次光学设计。二次光学设计必须在LED发光器件一次光学设计的基础上进行。一次光学设计是保证每个LED发光器件的出光质量，主要是考虑怎样让LED芯片中发出的光能尽量多地取出。二次光学设计是保证整个发光系统（或灯具）的出光质量，主要是考虑怎样把LED器件发出的光线集中到期望的灯具上，从而让整个灯具系统发出的光能满足设计需要。LED的二次光学设计的目的是获得实际需求的空间光强分布，在二次光学设计时，虽然LED本身是一个在一定区域发光的实体，但是如果不是旨在提高LED的法向光强，二次光学设计在效果上可以将LED当作一个电光源来处理6。光线从LED出射后形成的光强分布是旋转对称的，LED的法向是其对称轴。因此构成系统的非成像光学组件也应该具有旋转对称性，并且LED具有相同的对称轴。常用的非成像光学组件有菲涅耳透镜和各种形状的反射体，前者通常是用在LED阵列的前端构成准直透镜，且成本较高，不适合用于单个LED的情况，而后者又有各种不同形状的反射体，可分为以下几类:圆锥曲面反射体、三维复合反射体、槽型反射体、自由曲面反射体。3.2.1 投射式方案 投射式方案由椭球反射杯，挡光板和透镜组成。由于LED不同于传统光源的辐射模型，是半球发光，所以投射式方案中椭球反射杯只需采用半个就能有效收集光源光线如图3-9所示。多个LED光源设计前照灯，可采用所有LED光源共用一个光学系统或者每个LED光源都有自己的光学系统的方案，但前者有较严重的离焦现象，且LED光源间小间距不利于散热，因此采用每个LED光源都有自己的光学系统的方案8。图3-9 投射式系统原理图（1）透镜设计为了控制系统的深度和口径，采用小口径短焦距的透镜，传统的球面透镜球差较大，因此采用非球面透镜。平凸的非球面透镜，只需考虑一面的非球面特性即便于设计和加工。 设定透镜口径为40 mm，焦点到透镜第一平面的距离为20 mm，并计算求解得透镜厚度为14. 86 mm，如图3-10所示。图3-10 非球面透镜截面图（2）挡光板设计 GB 4599-94要求在配光屏幕上，近光应产生明显的明暗截止线，其水平部分在v-v线的左侧，右侧为与水平线向上15的斜线，或向上成45斜线至水平线垂直距25 cm转向水平的折线。这里采用右侧为与水平线向上150的斜线作为标准。LED光源的发光面虽然很小，但不能视为点光源。其在椭球第一焦点经椭球反射杯反射后会聚于第二焦点有离焦现象，如图3-11所示，挡光板位于透镜焦点处，挡掉向上的光线。图3-11 多椭球水平截面和垂轴截面图如图3-12所示，使挡光板左侧有一个15的斜角，形成观测屏幕上h - h线右侧15的明暗截止线。图3-12 挡光板形状（3）多椭球反射杯设计 汽车行使时，驾驶员需要一个水平方向较宽、垂直方向较窄的光线，若采用标准椭球，则会产生旋转对称的光形，不能满足国标配光要求。因此将椭球反射杯的垂直截面和水平截面设计为有不同第一焦点和相同第二焦点的椭圆，由垂直椭圆截面第一焦点渐变到水平椭圆截面的第一焦点，构成多椭球反射杯。 图3-11中，f1为垂轴方向第一焦点，f2为水平方向第一焦点，f3为公共第二焦点。垂直截面椭圆和水平截面椭圆方程分别为 (3-1) (3-2) 垂直椭圆截面第一焦距到水平椭圆截面第一焦距采用在0和90时变化缓慢的三角函数变化。LED发光面中心位于垂直椭圆截面第一焦点，相对于水平椭圆截面则有一定的离焦，不仅加宽了光线的宽度，同时也提高了光能量的利用率。考虑灯的体积，椭球反射杯第二焦点长度设为40 mm。采用TracePro软件模拟，不同第一焦距与测试屏幕上光通量的关系见表3-2所示。表3-2 不同第一焦距与测试屏幕光通量关系f/mm456789101112Obs/lm39.99842.9743.31542.76741.39240.12838.58736.58735.083 当第一焦距为6mm时，测试屏上光通量最大，即能量利用率最高，因此垂直方向椭圆第一焦距采用6mm。 仿真结果表明，离焦距离越大，则观测屏幕上光形越宽。图3-13所示，当离焦为1.2mm时，光能量利用率最高.因此最终确定方案为水平椭圆截面第一焦距和第二焦距为(7.2,40),垂直椭圆截面第一焦距和第二焦距为(6,40)。图3-13 水平方向离焦距离与观测屏上光通量关系3.2.2 近光模拟结果 依据GB 4599-94，近光需要4个单个LED光学系统，表3-3所示显示3个单个LED光学系统模拟结果也能满足配光要求，近光采用3个单个LED光学系统，测试屏幕配光模拟结果如图3-14所示，明暗截止线非常清晰。图3-14 近光测试屏幕照度图表3-3 近光测试屏幕模拟结果与要求限制测试点或测试区域要求限值2个LED模拟结果3个LED模拟结果4个LED模拟结果B50L0.40.0330.0450.06675R128.55912.83517.13675L125.6728.64411.36850R128.41512.5016.51750L155.7558.63311.37550V128.67112.72917.22525L151.0981.6472.23125R21.2301.832.452III区任何点0.70.70.70.7IV区任何点3333I区任何点2E50R2E50R2E50R2E50R从表3-3中的数据可以看出，测试点的光强度都在国家标准要求的范围之内，而且仿真结果在一定误差范围之内比较真实地反映了灯具的实际光学效果，从而验证了此设计方案的可行性。在TracePro中建立的光学模型的仿真结果与在灯具检测中心测试的实际结果有一定的差距，这种误差反映了由软件建立的虚拟模型不能完全真实反映灯具的效果，引起这种误差的原因是多方面，概括起来主要有：（1）由软件本身的原因引起的误差在TracePro中是根据用户设定的光源和元件的属性，用虚拟的有一定能量的光线来模拟光线的传播过程，反映与光学元件的先后作用，统计观测屏幕上的光线数量和分布，然后进行光学处理得到用户需要的结果，这个过程中本身就是近似的处理，带有一定误差，最终引起仿真结果与实际结果的差异。（2）由人为因素引起的误差 在软件中设置的材料属性、灯具结构的尺寸、光源的光强度角度分布等参数都是用户测试得到的值，本身带有一定的误差，与实际的材料、结构、光源的属性值的真实值并非完全相等。（3）由制造和安装引起的误差 经过设计好的灯具结构，实际的模具制造、非球面透镜的装配位置都有一定的误差，与设计的模型并非完全吻合。上述原因都会引起仿真结果与实际结果有一定的差异，但是这并没有妨碍用虚拟的光学结构来仿真和预测实际的灯具效果。从表3-3中可以看出，仿真结果在一定误差范围之内很好反映了灯具的实际光线效果，这可以分析各部分元件的光学作用和预测灯具的整体效果，进而反馈修正设计参数，避免了灯具的反复制作和修改，可以减小设计费用及缩短设计周期。3.3 本章小结本章介绍了光学仿真软件TracePro的功能，阐述了光线追踪的原理及光学仿真的步骤，并在此基础上用两种不同的方法建立了LED的光学模型，比较了两种方法仿真方法各自的利弊,并详细介绍了汽车近光灯的一种设计方案投射式方案，在TracePro中模拟了整个灯具的光学效果。4 LED汽车灯具散热技术研究LED固体光源相对于传统的汽车灯泡具有众多优越性，但使用中也有需要特殊考虑的地方LED光源的散热问题。在前发光效率下，LED只能将约5%10%的输入功率转化为光能，而其余90%能量转化为热量，如果热量不及时有效的散出，温度的升高将会引起LED性能下降甚至失效，因此必须研究LED灯具的散热技术，采取合适的散热装置和措施，为LED器件提供良好的散热通道。4.1 散热重要性分析LED工作时PN结的结温对LED的光通量、颜色和输入电压都有一定程度的影响，而结温主要受环境温度和输入电功率的自加热效应影响，过高的温度甚至会引起封装材料热膨胀而导致器件永久失效，影响主要表现在以下几方面9：LED的光通量与温度的函数关系可以表示如下： （4-1） 其中：V(T1)-结温T1时的光通量；V(T2)-结温T2时的光通量；k-温度系数；Tj结温的改变量，即（T2-T1）；结温也会影响到LED的主波长(颜色)。主波长随温度的变化关系可以表示如下： （4-2） 其中：d(T1)-结温T1时主波长；d(T2)-结温T2时主波长；LED结点温度每升高10，主波长增加1nm。LED一般由光学透明的环氧树脂封装，温度升高到环氧树脂玻璃转换温度Tg时，环氧树脂由刚性的、类似玻璃的固体材料转换成有弹性的材料。通常情况，在玻璃转换温度Tg，环氧树脂的热膨胀系数(CTE)会有很大变化，Tg位于热膨胀系数剧烈变化区域的正中间，如图4-1所示。为了避免LED突然失效，结温Tj应该始终保持在封装树脂的Tg以下。LED厂家一般在规格书上表明，LED最大结温Tj(max)就低于封装树脂的玻璃Tg，取Tj(max)=125。如果温度超过了Tj(max)，封装树脂的CTE将会发生很大变化，一个大的热膨胀系数(CTE)使得封装树脂在温度变化的过程中，膨胀和收缩加剧，这将导致金线(或铝线)键合点位移增大，金线(或铝线)过早疲劳和损坏，造成LED开路和突然失效。Tg热膨胀系数温度CTE图4-1 环氧树脂的热膨胀系数随温度变化4.2 LED灯具散热通道分析传统光源，灯丝温度通常在2000左右，可以产生很强的热辐射将热量散发出去，而固体光源LED器件芯片温度小于120，热辐射非常弱，主要的传热方式为传导和对流。整个LED灯具系统，可以等效为一个平行的热通道系统 11。LED灯具系统散热性能的好坏直接由LED-线路板-空气的热阻的大小决定，而这个通道中又涉及到三个主要的环节：LED器件自身热阻的大小，直接影响到芯片产生的热量能否导出到支架或热沉上，需要从LED封装结构、封装材料、制作工艺方面来提高LED的散热性能；从LED到线路板的热阻，往往由线路板的材料、LED之间的间距、电阻的分布、LED与线路板的连接方式等决定；如果从线路板到空气的热阻过大，即使热量都从芯片传到金属线路板上，聚集的热量会使线路板的温度急剧上升，导致温度过高，增加了LED失效的可能性，造成LED光衰加剧、寿命缩短。因此，我们需要从这三方面提高LED灯具的散热能力，控制LED结温在一定范围之内。4.3 LED汽车灯具热阻系统在整个LED灯具系统中，我们最关心的也就是芯片的温度是否在最大限度之内，因此，只需要计算出PN结在达到热稳态时的温度既可。下面，我们将针对某种成品后雾灯，估算整个灯具中PN结的温度最高值，进而从热学的角度评估LED灯具的可行性。根据上述分析，整个LED灯具系统的散热通道可以简化如图4-2所示。图4-2 LED灯具系统的散热通道简化图 为计算各个环节的热阻，我们做如下简化处理： (1)LED支架与线路板之间的焊接处近似为一定大小长方体状的导热层； (2)线路板与塑胶支撑架之间有附加导热层； (3)线路板与空气之间的对流导热忽略不计； (4)由于灯具外壳一般采用导热性能较差的聚碳酸脂等材料，塑胶支撑架与外壳之间的导热忽略不计； 基于上述简化处理，整个LED灯具的热阻可由如图4-3所示：图4-3 LED灯具的热阻简化图因此，LED灯具总热阻可用下式计算： （4-3）其中：RJA-PN结到空气的热阻；R1LED器件的热阻；R2焊接层的热阻；R3线路板的热阻；R4线路板与塑料支撑架之间附加层的热阻；R5塑料支撑架的热阻；R6塑料支撑架处于空气中对流交换的热阻；下面计算各部分热阻： （4-4） （4-5） （4-6） （4-7）其中： ki(i=2、3、4、5)为各介质的导热系数；di(i=2、3、4、5) 为各导热层的导热系数；Ai(i=2、3、4、5) 为各导热层的横截面面积；另外，R1表示LED器件本身的热阻，由产品规格说明书上直接查到： R1=150 (C/W) （4-8）R6的值由下式计算： （4-9）上式中，表示平均换热系数；L：为定性长度，在大圆柱对流换热情况下，通常取圆柱直径； 分别表示为无量纲的格拉晓夫系数和普朗特系数，可查表获得；C：为适配系数，在层流的情况下通常取0.530.54；A6：为对流换热的有效面积；K6：为空气的导热系数；综合(4-5) （4-9）可得： （4-10）根据热阻的定义： （4-11）在LED工作过程中，仅有5%10%的输入功率转化为了光能，其余的都转化为热，所以近似认为输入的电功率都转化为热，即有： （4-12）考虑到汽车实际的工作环境，塑料支撑板后面车内的最高温度取：T环境=75综合（4-10）（4-12）可得：T结= 346.640.15+70=127 C （4-13）结论：决定结温的主要有三个因素：环境温度、灯具的热阻、输入功率；现有的灯具结构和散热条件下，PN结的温度己经超过极限值，必须重新进行散热结构的设计，或者采用低热阻的其它型号的LED光源；整个LED灯具的热阻主要影响因素有：LED器件本身的热阻、塑胶支撑架的热阻以及线路板的热阻，必须从结构和材料方面进行改进。在前两节中，我们从单个LED的入手，分析了LED车灯散热系统的理论模型和等效计算模型，从热学的角度评估LED灯具的可行性，分析了影响LED车灯散热的主要因素。但是，实际上整个LED车灯的灯具结构复杂，各层之间的导热情况复杂，且LED散热之间有相互的影响，所以采用上述直接用方程求解的方法仅是一种等效的近似处理，需要实际测试来验证。LED结点的温度一般采用间接的方法获得，如采用红外热成像技术测试LED及线路板的表面温度。由于受试验仪器的限制，我们采用一种简单的测试方法获得LED灯具的热阻，下面将以设计的后雾灯为例说明测试的过程。测试的具体步骤如下：（1）选择组件中的一个LED作为待测器件，通常选择组件中温度最高的器件作为待测器件，我们选择后雾灯线路板上最中间的一个作为待测对象；（2）将线路中待测LED与电路其他部分的连线切断，使待测LED与组件的其他部分隔离；（3）在待测LED的阴极、阳极各焊接一条细长导线。灯壳重新安装好之后，这两条导线露在灯壳外，利用这两条导线给待测光强值LED单独供电，并对待测LED的电流和电压值进行测量；（4）选取一只与待测LED规格完全相同的LED，通过两个细长导线将这只LED接入组件中，其位置与待测LED相同，用来模拟LED组件工作时的电气特性；（5）将修改好的LED组件装入灯壳，将作为替代的LED和待测器件的引线留在灯壳外面，用于测试它们的工作电流和电压；（6）给待测LED通以小电流 (1mA)，此时产生的热量可以忽略不计，测量在小电流时待测LED的正向电压Vfl；（7）给后雾灯线路板13.5V的恒压驱动，每隔5分钟测试替代LED的驱动电流，调整待测LED的驱动电流与之相同，通电时间至少60分钟以上，以保证LED组件达到热平衡；（8）测量此时待测LED的正向电压Vf输入电流If；（9）关掉LED组件电源，立即(10ms)给待测LED通以小电流(lmA)，再次测量小电流时的待测LED的正向电压Vf2；（10）整理测试数据，计算灯具的热阻。根据上述测试的数据，计算灯具的热阻过程如下:对于AllnGaP芯片材料的LED，正向压降和结点温度近似满足线形关系，具体的变化关系可由下列一次函数表示： （4-14）在第6步和第9步中，用小电流（1mA）驱动待测LED，但是在不同的结温条件下测试其正向压降的变化，Vf2表示在灯具达到热平衡状态下的压降，Vf1表示周围环境温度情况下的压降，根据压降变化与结温的变化关系，可得结点温度的变化为： （4-15）用第8步中测试的输入电压和输入电流的乘积，得到待测LED的热功率（忽略掉转化为光能量的部分）： (4-16）根据热阻的定义，由式（4-16）和式（4-17）得 （4-17）由上面的测试的数据，计算出来的LED后雾灯的热阻要比上节中用等效的方法计算的热阻偏大，主要原因在于：在进行等效简化处理的时候，忽略了LED之间相互的热传导和辐射；媒介之间用了理想的接触情况来近似，但是考虑到焊接点的虚焊、线路板与塑胶支撑架的热接触不均匀等，都会增加整个灯具系统的热阻；材料的导热率各处存在差异，用简化的办法来处理会带来一定的误差。4.4 提高LED灯具散热性能的措施分析4.4.1 改善后雾灯LED散热的措施从上节的分析结果来看，我们需要重新设计灯具的光学结构。因此我们可以考虑保持灯具的光学结构不变，从其它方面去改进12：（1）改变塑胶支撑架的材料，选择导热性能更好的铜材料，其导热系数为382W/m，此时塑胶支撑架的热阻变成： （4-18） （2）改变塑胶支撑架的形状，采用鳍状的结构，增加其与空气的接触面积，加快散热，此时塑胶支撑架在空气中的对流热阻变成 （4-19）（3）改变线路板的材料，采用散热性更好的铝基板(MCPCB，Metal-core Printed Circuit Board)，其导热系数为1.8W/m，此时线路板的热阻变成: （4-20）如果上述三种措施都采用，单个LED从结点到空气的热阻变为: （4-21）可以计算出此时PN结的温度为: （4-22）通过