LED汽车头灯的设计要点

1、LED汽车头灯的设计要点摘要：LED关于消费者而言并不生疏，差不多广泛的应用于车内，按照不同的效能需求选择适当的LED产品，LED相较于传统光源I同夕H效能输出与光型输出亦大不相 散热等不传统灯具¥计概 性,车|磁功整合克服技术难题后八y 1利照明或指示萨M头灯时 壮然而也因其不同 将为车型开创.丸 J.源除了外型不 面临光学设计与 于传统光源之特 新的设计概念。差不多广泛的车内的外表板灯、灯、倒车灯、第三刹车灯等都可见到 LED的有关应用LED Freedom or design图卜车内的LED应用 资料来源：JaguarGosei从LED的应用历上的先例；而在Audi A二程师们

2、在前置2002000计师看到LED作为前照灯MlAcura1可知，从 前后转向呼n年时差不多有LED应用于第三刹车灯一步的应用于尾灯、转向灯与刹车灯；到了与刹车灯；到了光源置于前置灯具内作为日行灯，开启了设 都能够象空间车，如图2 LED头灯概念车资料来源：Detroit Auto ShowLED先天上就具有体积小的优势，应用于前置灯具时更可缩小整组灯具的 体积，进一步让出宝贵的引擎空间与其它有关设备，以现有的卤素灯泡或是放电式灯泡设计的灯具总长约 300m m,而在许多概念车的设计上，LED灯型设计，进1-2 Im lull 口讣Z设计多款不同的造有PFmm长纭型嗣造不同的视觉观感，跳脱传统

3、灯具的圆形设计。Im齐1口 恤31 krn iwNik1inMmin艸irvJ-h)li i j HM2i)不同需求的LED封装应用随着应用层面的不同，车厂也选用不同的LED光源封装对应不同的环境要求，依需求亮度不同可简单分为指示用、照明用与投射用三种不同需求。 指示用光源可见于第三刹车灯、尾灯组（尾灯、刹车灯、转向灯等）、侧灯等， 其光源输出流明值低，所需功率低，约在 70mW200mW，产生的热量关于 封装体阻碍较小，因此在封装上会忽略此热量造成的阻碍，而直截了当利 用树脂类材料包覆整体以进行封装，而因为树脂的热传导系数低（W/mK），因此其有关热阻会因散热不易而升高至 50200K/W;

4、而照明用光源其封装 功率会相对提升，除了可应用于指示用光源类的产品之外，亦可用于亮度 要求较高的日行灯、雾灯、前方向灯等，但也因为损耗功率增加（功率约在15W），散热部分不能如指示光源般不考虑散热咨询题，除了树脂类材料封装外尚需利用金属块将热导出以坚持出光效率， 其热阻坚持在15K/W以下； 而投射用光源则是光源封装亮度需求最高者，其应用产品往常照系统（远灯、 近灯、雾灯等）为主，其单体封装需在4W以上，而在热阻上需小于5K/W， 以确保在引擎室的高温下能坚持散热能力，并保持光源输出效率在可用的 范畴内。不同的应用层面，其总亮度需求也随之不同，以内部照明而言大约需 要80流明的亮度，一样选用表

5、面黏着型（SMT）的封装，单体封装约2流明 输出，效率可达1520lm/W。以第三刹车灯而言大约需要 301m的亮度，一 样选用炮弹型的封装结构（© =5mm），单体封装亮度约4流明，效率可达20 40lm/W。而尾灯组关于亮度需求约300500lm, 样选用1W的SMT封装结构，单 体封装亮度约1020lm，效率可达1540lm/W。以上差不多上差不多应用 于车体的光源，而目前LED厂与车厂正主动合作，试着将LED导入前照系nc*|Tj TOIBincandesc 白 rd buEb一”.*50弋-J7C05统（头灯、雾灯）中，其中车厂关于头灯的亮度需求约2000流明的白光，LED

6、厂目前则应用高瓦数的 Olm，效率预期提升至discharge bulb使丿SMT LED封装架构，每单体封装可输出 10020-1100'25-3200-3050100lm/W。-32QQ-90目前使用于车内的灯源可区分为白炽灯泡、'4000-的卤素灯泡、气体放电式灯泡与LED光源，其比较如图4所示。Luxeon IH-11O(2OO6>-45(20061-20 (2006)LED在头灯的设计开始着手设计头灯之前，应先考虑法规上的有关规定，包括光型亮度，环境测试，亮度衰减等需求，进一步考虑有关光学设计，机构设计，耐热设 计与电控设计等细节，关于LED而言，光学设计的考虑

7、除了反射罩设计之 外，尚需考虑LED本身的出光光型，不同的封装型态将产生不同的光型输出，进一步将阻碍反射罩或成像透竞的要求，与传统头灯设计需考虑不同*片灯泡（州、H4、H7r H11等）类似二在传统的头灯设计上，灯泡本身的光子开释来自加热钨灯丝，可不能因自身发出的热或来自引擎室的高温而阻碍 款 J:，一，亮度输出，散热重点落在整个头灯腔体的均温设计而非灯泡的散热，但在'一 一一一一一 亠L f （头灯腔体约承担1卜*头灯材料的选00 O的温度，耐热材为主；牛r -彳 * 11 ", « a . ", - n IB tr春与温度出现负有关，温度越高I 源设计

8、的重要课题。1 y的高温是否可承担来自灯泡日十卫一广 I 度可高至U 300C）,因此在此选用的材料一样都以ED而言，其一.、，高则光源输出越弱，因此散热成为德疑D作为光爭来自于PN接口的能阶跳动,p1 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 专门的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操纵，演变成为利用反射罩直截了当操 纵强度角度，也进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，专门是角度与强度的光型输出(Beam pattern),对传统的光源而言，

9、大多为柱状光源，可产生类似蝴蝶外型的光型输 出，进而进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 件而产生不同组合以应用于不同产品 类，可将光源分为八大类如5所示 L 及卤素灯泡与放电式灯泡，想得到相同的' 面积。随着光源输出Direct emission有的概念车内，都以模块 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： 型的设计感。Chip on IXijiidX),进而搭配外部的光学组 大厂HELLA的设计分 的单位面积发光量尚不 LED需要较大的封装 5增

10、加;光学设计的难度也随之提升，因此在现 计取代既有的单一灯室设计，利用多组 曾加车体造目前的(Fresne-I) Lers图6头灯设计有关扌资料来源：-HellaFI的 mirror勺光型输mecbdnical按照德国车：的流明输出,Hybrids (prajttetor图7 LED光源设计资料来源：Hella散热设计是LED光源区不于传统光源的课题之一。传统灯具产生的热远高 于LED，但传统灯具可不能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圭寸装结构材料息息有关，牵涉到使

11、用的散热材料与有关外型，关系如图 9所示，其中热阻的概念，代表输入 W功率时，需要提升多少K温度才足以散热。以现有的封装技术最高可承 诺LED操作在185C(Lumiled K2)，但一样因为封装胶材的关系，可承诺的操作温度孩装胶材的变质（树脂类材料在高温有老化现象）。Juncton Terrperature, Tj （°C）图8接口温度对光源输出的阻碍资料来源：Lumiled引擎室的温度在灯具邻近最高可到85C,配合Lumiled K2可有100C的散R jlg-Board都决定于封装体，对设计者而言只能针对R_散热基板上（接着质量）、 良件。因此在此处应该条件后再考热空间，但若配

12、合一样的LED则只有40C的散热空间，观看有关热阻, _Jun cti on-Slug、_Board-Ambient努力，其中包括如何将封装体固 散热结构外型设计F被动散热考虑与 与机构进行有关模拟设计，取得灯擎虑所需的散热模式卄选用被散动热 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，尽管所需散热环境较小，但因为增加了风扇等可括震动、畀尘、腐蚀与湿气等严苛环境。畑.动件，反而需考虑此可动件可否通过车灯上的有关法规，包图9封装与散热热阻关系资料来源：LumiledLED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现有关的概念车，但在 头灯部分尚未看

13、见有成品显现，仍有需多咨询题尚待解决。其中要紧咨询 题应在于亮度输出、散热咨询题与误差设计。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圭寸装体Luxeon emitter在25C的总光源输出，但 当其外界温度升高至50C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平均而进展出所谓的分类销售的过 程，专门是高瓦数的芯片在 LED 产业上是全检出货，按照波长亮度进行分 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