基于热场分析的LED日间行车灯优化设计

2016-05-04吴雪强龙兴明

发光学报 2016年3期

关键词：热场灯珠结温

周静, 吴雪强, 龙兴明

(1. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室, 重庆 400044；2. 重庆师范大学物理与电子工程学院, 重庆 400044)

基于热场分析的LED日间行车灯优化设计

周静1*, 吴雪强1, 龙兴明2

(1. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室, 重庆 400044；2. 重庆师范大学物理与电子工程学院, 重庆 400044)

针对LED日间行车灯的设计需求，提出通过热场仿真分析实现其热性能优化设计的方法。首先，根据LED日间行车灯的结构建立其有限元仿真模型，通过实验观测LED日间行车灯工作中的温度分布情况，并以实验观测结果验证仿真模型的有效性；然后，基于以上模型仿真分析日间行车灯的灯珠间距、铝基板厚度与LED灯珠结温之间的关系；以上述关系为约束条件，结合生产成本，得出在LED灯珠一定的情况下，灯珠间距为37 mm、铝基板厚度为1 mm的最优化设计方案，使LED日间行车灯能够可靠工作且成本更低。

LED汽车灯；日间行车灯；灯珠间距；铝基板厚度；最优化

1 引言

作为节能、环保、高效的新一代照明光源，LED(Light emitting diode)的应用已逐渐渗透到各行各业。在汽车照明领域，与卤素灯和HID(High intensity discharge)灯相比，LED汽车灯在寿命、节能、光效等方面表现出了明显优势[1]。然而，随着单颗LED灯珠的功率越来越大，LED光源的热量管理难题愈加突出。LED芯片结温过高会极大地影响其性能，有研究表明[2-4]，当LED结温超过120 ℃时，其寿命会显著缩短，光效降低，光谱基波波长也将变大。

针对汽车LED灯结温控制的问题，国内外学者做了大量的研究。LED芯片生长在衬底上[5]，是LED光源产热的主要区域，因此衬底材料的导热率将显著影响LED芯片散热。传统LED衬底采用蓝宝石材料，其导热率仅为42 W·m-1·K-1，近年来有研究者采用热导率为120 W·m-1·K-1的Si材料作为衬底代替蓝宝石，大大提高了LED灯珠内部的导热效率。LED芯片通过粘接层与外封装相连，因此粘接层的导热性直接关系着热量从衬底向外封装传导的效率。近年来，导热率高达67 W·m-1·K-1的Sn96.5Ag3CuO.5等材料已逐步取代了热导率仅为25 W·m-1·K-1的导热银胶[5]。除了LED灯珠内部结构及材料的优化以外，外部散热器的采用也增强了LED车灯的散热性能。Sunho Jang等[6]将汽车行驶过程中车头部位产生的强烈气流引入到LED前照灯所在的铝基板下表面，增加了LED前照灯的对流散热，降低了LED的结温。新型热管散热器[6-7]、电磁喷流散热器[8]、热电冷却器[9]等高效散热器也被应用到汽车前照灯的散热中。

但是，在如LED日间行车灯这样的中小功率汽车照明场合，由于受到车身空间的限制，很难采用散热器增强散热。当前的设计往往是采用高导热率材料的组件或特殊的结构来增强散热，但这些设计往往带来成本的上升。众所周知，对于一个成熟的商业产品，不仅要求其各方面性能达到国家标准和相关要求，成本也是影响其市场推广的一个重要因素。因此，在达到LED散热要求的同时使其经济代价最少已成为LED汽车灯设计的一个重要课题。

从系统的角度来看，一个完整的LED汽车灯系统的散热效果，不仅与LED灯的各组件有关，也与各组件之间的配合和协调息息相关。为此，本文提出通过对LED汽车整灯系统进行建模分析，实现车灯热场优化设计的方法。该方法首先对LED汽车灯系统进行建模，并采用实验测试结果验证模型的可靠性；然后基于该模型，以LED汽车日间行车灯为例，对灯珠间距、基板厚度等因素对LED灯散热性能的影响进行仿真分析；综合考虑各因素对散热的影响程度和所需付出的经济代价，提出LED汽车日间行车灯优化设计方案。该方法为中小功率LED汽车灯的优化设计提供了思路和借鉴。

2 日间行车灯热场及建模

2.1 日间行车灯产热及传热原理

日间行车灯(Daytime running lights，DRL)是一种安装在车身前部的白天行驶照明装置，它能够让对方辨识，有效提高车辆的可见度，达到警示作用，从而降低日间交通事故，已被欧盟作为强制安装的安全照明装置。常见的反射式日间行车灯及其部件如图1所示[10]。

图1 LED日间行车灯(左)和3个主要部件(右)：LED模组及散热器、电源驱动以及反射透镜。

Fig.1 Illustration of the LED daytime running lights and its three components including module, driver and reflector.

目前，针对日间行车灯这类中小功率(电功率小于5 W)应用场合的LED灯珠一般采用表面封装如SMD或PLCC结构，如图2所示。

图2 LED灯珠几何结构模型

当LED芯片的PN结上加正向电压时，载流子运动产生复合。复合分为辐射复合和非辐射复合两类。辐射复合产生的能量形成光子;非辐射复合产生的能量形成声子，引起晶格震动并产生热量。这就是LED芯片伴随发光而发热的主要原因。

LED灯珠正常工作时，其功率转化过程可由式(1)表示:

Pe=Po+Pth,

(1)

其中，Pe为从LED引脚注入的电功率，可通过LED工作电流和对应的前向电压的乘积得到；Po为光功率；Pth为焦耳热功率。目前，LED灯珠最高发光效率可达到30%左右[11]，即注入的电功率Pe仅有30%被转化为有效的光功率Po输出，而70%以上会被转化为热量。可见，LED灯具的热管理问题不容忽视。

非辐射复合产生的热量集中在LED芯片的PN结部分，PN结的热量向温度较低方向传导，传导过程中介质内部温度随空间和时间变化的关系可表示为

(2)

LED光源的热量最终在与空气接触的表面通过热对流的方式辐射到空气中：

Qr=hA(Ts-Tamb)，

(3)

其中，A为散热面积；TS和Tamb分别表示LED光源表面温度和环境温度；h为对流换热系数，其大小随温度分布变化而改变，可表示为

(4)

式(1)～(4)描述了LED产热及热传导、热对流两种换热方式的规律，通过求解这4个方程，可得出LED光源工作时的LED芯片、各层导热介质和空气的热场分布。

2.2 日间行车灯模型及验证

LED日间行车灯的结构示意图如图3(a)所示。为加强散热，以铝基板(MCPCB)代替常规FR4 PCB板作为基板材料。考虑到车灯光强及出光均匀性的要求，车灯采用了8颗0.4 W贴片封装(SMD)的LED灯珠，且灯珠均匀排列在铝基板上。对该车灯进行整灯建模[12]，其中单颗LED灯珠的模型如图1所示。LED芯片通过粘接层固定在导热塑料芯片载体上，芯片电极绑定在引脚框架上，芯片上覆盖荧光粉胶；整颗LED灯珠用焊锡焊接在铝基板上，铝基板的表面为制作电路的覆铜层，第二层为约10 μm厚的绝缘层，底层为利于散热的铝基层。模型中LED灯珠及铝基板各部分介质的导热参数如表1所示。

表1 LED灯珠的部分导热参数

在环境温度为60 ℃的条件下，给LED灯珠样品注入130 mA的额定电流，测量前向电压为3.013 V，可计算出其注入电功率Pe=0.422 W，同时用积分球测量输出光功率Po=0.1 W。根据式(1)可得此时LED芯片的热功率Pth，LED灯珠的电光转换效率约为24%。LED芯片产生的热量将主要通过两种途径发散出去，即大部分热量可经衬底、粘接层、塑料载体、引脚传导到铝基板上，最后在铝基板下表面与空气发生热对流，将热量散发到空气中[13]；其他少部分热量可经荧光粉胶层与空气发生热对流而散发到空气中。塑料载体侧面由于面积很小、导热系数小，其散热作用可以忽略。将模型导入有限元仿真软件COMSOL中，铝基板下表面的对流换热系数设为18 W·m-2·℃-1，环境温度为60 ℃。采用软件标准尺寸划分有限元网格，仿真分析日间行车灯的温度分布[14]，结果如图3(b)所示。

为了验证该日间行车灯模型的有效性，在环境温度为60 ℃的条件下，给日间行车灯通入同样的额定电流，待其达到热平衡之后用热像仪(FLIR SC7000)采集此时日间行车灯的温度分布，如图3(c)所示[15]。热像仪只能测量到物体表面的温度，无法直接获得日间行车灯的LED灯珠结温，为此，需要根据热像仪测得的LED灯珠表面温度估计LED灯珠的结温。

热阻公式为

(5)

其中，Rjn-s为LED芯片PN结到上表面的传导热阻；b为芯片到上表面的厚度，约为1 mm；S为芯片与荧光层接触面积，为0.5 mm×0.5 mm；Ky是荧光层导热系数，为20 W·m-1·K-1。计算得到LED灯珠芯片到上表面的传导热阻Rjn-s约为200 ℃/W。结合热像仪测得的LED灯珠表面温度，由式(6)估算LED灯珠结温[16]：

图3 汽车日间行车灯热场分布。(a)LED汽车日间行车灯结构图；(b)汽车日间行车灯热场仿真效果图；(c)汽车日间行车灯实物热场分布图。

Fig.3 Thermal distribution of DRL. (a) Structure of DRL. (b)Thermal simulation of DRL. (c) Thermal test of DRL by FLIR SC7000.

(6)

观察图3(b)的仿真结果和图3(c)的实验测试结果发现，整个车灯系统温度分布在100～110 ℃范围内，基板两端的LED温度要略高于中间部分的温度，两图中日间行车灯温度变化趋势一致。表面温度最高的LED灯珠为最右侧灯珠，仿真温度为108.9 ℃，而实测温度为107.8 ℃，相差1.1 ℃，相对误差约为1%。

图4 不同环境温度下，汽车日间行车灯LED灯珠仿真与实测最高结温对比图。

Fig.4 Maximum temperature of LEDs at different ambient temperatures by simulation and measurement

将通过式(6)估算得到的LED灯珠的最高结温与仿真结果中LED的最高结温进行对比，如图4所示。从图4可知，当环境温度升高时，日间行车灯的LED结温也将随之升高，仿真和实测结果变化趋势一致；在环境温度为80 ℃时，仿真结果与实测结果相差最大，此时LED最高结温相差2.08 ℃，相对误差约为1.59%。

从以上分析可知，采用日间行车灯模型仿真分析得到的LED灯珠结温基本与实验测试结果一致。该模型能较准确地反映日间行车灯工作时LED结温以及基板温度分布情况，可应用于日间行车灯的优化设计。

3 LED汽车日间行车灯的优化设计

汽车日间行车灯安装在车前，与产热很大的发动机距离很近，所处环境恶劣，车灯周围温度将远高于车外环境温度。实测结果表明，在发动机工作时，日间行车灯周围环境温度超过80 ℃。在此种环境下工作，LED灯珠结温将高达135 ℃。目前，考虑到汽车灯的寿命及稳定性，一般取120 ℃作为LED汽车灯的LED结温上限值。我们以此为设计点，对日间行车灯进行优化设计。

3.1 LED结温与灯珠间距的关系

首先，由图3(a)所示LED日间行车灯的结构示意图可见，LED日间行车灯是由多颗LED分散排列形成的光源，LED灯珠的间距不同，则散热效果不同[17]。一般地，LED灯珠间距过小会引起热量聚集，不仅使灯珠的结温上升，甚至导致不满足ECE发光面积规范要求。而灯珠间距过大，则会增加铝基板的长度，不仅成本上升，而且会使灯具的灯光分布过于分散而不能达到警示他人的效果，更不能满足车灯总体结构设计的空间要求。

为了找到LED灯珠的最佳间距，我们利用上节所建模型进行仿真分析，研究在不同环境温度下，日间行车灯的LED灯珠最高结温与灯珠间距的关系，结果如图5所示。分析中，设定日间行车灯的铝基板采用完全相同的材质。

从图5中可见，在不同环境温度下，LED灯珠结温随灯珠间距变化趋势大致相同。以环境温度为20 ℃为例，在LED灯珠间距由5 mm增大到15 mm的过程中，LED最高结温下降很快，约从180 ℃降为90 ℃，几乎下降到原来温度的一半。但是，当灯珠间距超过35 mm后，间距增大时，LED的最高结温下降缓慢。在间距从37 mm增大到50 mm的过程中，最高结温仅下降了7 ℃。在相同的灯珠间距条件下，环境温度越高，LED的最高结温也越高。当环境温度为80 ℃、灯珠间距为36 mm时，LED灯珠的结温为122.3 ℃。因此，总体上来看，如果灯珠间距为36 mm，只要环境温度在80 ℃以下，LED的结温就会小于122 ℃，基本能保证日间行车灯的正常工作。

图5 LED灯珠间距与灯珠最高结温的关系

Fig.5 Relationship between the distance and the highest temperature of LEDs

3.2 LED结温与铝基板厚度的关系

铝基板外形受日间行车灯外形、车身空间、固定要求等限制而不可能有较大的变化空间，但是基板的厚度仍有较大的变化余地。因此，需要研究不同环境温度下，基板厚度与LED灯珠最高结温的关系，结果如图6所示。

从图6可见，在不同环境温度下，LED灯珠结温随铝基板厚度变化的趋势基本相同。铝基板厚度增大，LED灯珠的最高结温随之线性减小，其斜率可定义为LED结温-MCPCB厚度系数N。采用线性拟合该系数得到系数N约为3.1 ℃/mm。而且，不同环境温度下的系数N的差别很小，环境温度分别为20，40，60，80 ℃时的系数N的方差仅为0.004。

图6 铝基板厚度与LED灯珠最高结温的关系

Fig.6 Relationship between the thickness of MCPCB and the highest temperature

3.3 LED日间行车灯的优化设计

考虑汽车运行时的LED灯所处的实际环境，我们选择80 ℃作为优化设计的环境温度边界条件。在该边界条件下，为使LED长期正常工作，设定LED灯珠最高结温不超过120 ℃，以此设计成本最低的汽车日间行车灯。日间行车灯采用图3(a)所示的结构。考虑LED灯珠已经选定，主要通过降低基板的成本来控制总成本。建立关于该LED日间行车灯的基板成本的目标函数[18-19]：

Z=R1×L+R2×x2，

(7)

其中，Z是LED日间行车灯的基板成本，取决于基板的长度L和厚度x2；R1和R2分别是日间行车灯铝基板长度和厚度的价格指数。

为了得到LED日间行车灯基板的最佳长度，建立LED灯珠间距与结温之间的函数关系。根据上节的仿真结果，对环境温度为80 ℃时的LED灯珠最高结温与灯珠间距的函数关系进行拟合，拟合函数[13]为

Tjn=238.2×e-0.1754x1+134.6×e-0.01283x1，

(8)

其中，x1为LED灯珠间距。拟合方差为1.763，拟合效果如图7所示[20]。

为保持LED正常工作，LED结温设定小于120 ℃，则根据式(8)得到第一个约束条件为238.2×e-0.1754x1+134.6×e-0.01283x1<120。

图7 LED灯珠结温与灯珠间距的拟合效果

Fig.7 Fitted curve between the highest temperature of LED and the interval of LED

s.t.1:Tjn=

在相同条件下，LED灯珠间距增加使LED结温下降，但同时铝基板长度也增大。所建立的车灯铝基板长度与灯珠间距之间的约束关系如式(9)所示：

L=-0.02381x12+8.929x1+20.26,

(9)

其中，L为日间行车灯的铝基板长度。由式(9)可见，当铝基板上热场分布均匀时，灯珠间距与铝基板长度并不是成一次函数关系，由于车身空间限制，日间行车灯长度不可超过410 mm，于是得到约束条件二：

s.t.2:L=-0.02381x12+8.929x1+20.26<410。

同理，可根据图6所示的仿真结果拟合环境温度为80 ℃时的LED灯珠最高结温与铝基板厚度之间的函数关系，如式(10)所示：

Tjn=-3.094x2+105.6,

(10)

其中，x2为铝基板厚度。同样，当x2取不同值时，结温不得超过120 ℃，则得到约束条件三：

s.t.3:Tjn=-3.094x2+105.6<120。

在工业生产中，常用铝基板厚度有1，1.2，1.4，1.6mm4种规格，则有约束条件四：

s.t.4:x2=1/1.2/1.4/1.6。

把上述4个约束条件带入目标函数式(7)。价格指数R1和R2的取值不仅与铝基板长度和厚度有关系，而且与铝基板造型、加工难易度、绝缘介质材料、加工工艺水平等有关。目前，1 mm厚的铝基板每平方厘米的价格约为人民币0.07元，根据图3(a)所示设计方案给出的日间行车灯造型以及厂商的报价可得出日间行车灯铝基板长度和厚度价格指数分别为R1=4和R2=15。分析可得：当x1=37，x2=1时，该日间行车灯的成本最小。即在环境温度为80 ℃时，要保证日间行车灯可靠工作且成本最低，LED灯珠间距为37 mm，铝基板厚度为1 mm。此为最优设计方案。

4 结论

日间行车灯是一种车用中小功率灯具，其稳定性受到LED灯珠结温的影响。本文通过实验及建模仿真得到性能稳定且成本较低的日间行车灯设计方案。

(1)在日间行车灯工作过程中，LED灯珠结温随着环境温度的升高而上升，不同环境温度下的LED灯珠结温随灯珠间距的变化趋势相同。在LED灯珠间距由5 mm增大到15 mm的过程中，LED结温下降很快；灯珠间距超过35 mm后，LED结温随间距的增大而下降缓慢。

(2)在同一环境温度下，日间行车灯LED灯珠结温与铝基板厚度成一次函数关系，铝基板越厚则LED灯珠结温越小。铝基板厚度在0.4～1.6 mm范围变化时，铝基板每增加1 mm厚度，LED结温下降约3.1 ℃。

(3)当LED灯珠结温超过120 ℃时，其稳定性、光效、寿命等将会大大降低。综合考虑日间行车灯性能和成本，得到给定设计方案下日间行车灯的最优灯珠间距为37 mm，最优铝基板厚度为1 mm。

本文结合实验和仿真得到日间行车灯最优设计方案的方法同样可以运用到其他中小功率LED灯的设计中。

[1] PARK S J, LEE Y L. Study on the development of high-efficiency long-life LED fog lamps for the used car market [J].Trans.Elect.Electron.Mater., 2014, 15(4):201-206.

[2] TAO X H. Performance characterization and theoretical modeling of emitted optical power for high-power white-LED devices [J].IEEETrans.Electron.Dev., 2015, 62(5):1511-1515.

[3] TSAI M Y, TANG C Y, WANG C H,etal.. Investigation on some parameters affecting optical degradation of LED packages during high-temperature aging [J].IEEETrans.Dev.Mater.Reliab., 2015, 15(3):335-341.

[4] 张建新,杨庆新,牛萍娟,等. LED板状肋片散热器性能的方向效应 [J]. 发光学报, 2015, 36(7):846-853. ZHANG J X, YANG Q X, NIU P J,etal.. Orientation effects on heat dissipation performance of plate-fin heat sink for LED application [J].Chin.J.Lumin., 2015, 36(7):846-853. (in Chinese)

[5] XU K K. Electro-optical modulation processes in Si-PMOSFET LEDs operating in the avalanche light emission mode [J].IEEETrans.Electron.Dev., 2014, 61(6):2085-2092.

[6] YIN L Q, YANG L Q, XU G M,etal.. Effects of die-attach materials on the optical durability and thermal performances of HP-LED [C].ProceedingsofThe12thInternationalConferenceonElectronicPackagingTechnologyandHighDensityPackaging,Shanghai, 2011:1-4.

[7] 周驰,左敦稳,孙玉利. 自然对流下LED集成芯片整体式热管散热器性能实验研究 [J]. 发光学报, 2014, 35(11):1394-1400. ZHOU C, ZUO D W, SUN Y L. Experimental investigation of integrated heat pipe heat sink for multi-chip LED module in natural convection [J].Chin.J.Lumin., 2014, 35(11):1394-1400. (in Chinese)

[8] KUMAR S K, WARN S C, LEE R. LED thermal management of an automotive electronic control module with display [C].ProceedingsofThe14thIEEEElectronicsPackagingTechnologyConference,Singapore, 2012:764-769.

[9] WANG J, ZHAO X J, CAI Y X,etal.. Thermal model design and analysis of high-power LED headlamp cooling device based on the thermoelectric effect [J].IEEETrans.Comp.,Packag.Manufact.Technol., 2015, 5(5):641-649.

[10] https://scholar.google.com/citations?view_op=view_citation&hl=en&user=0m-BVqUAAAAJ&citation_for_view=0m-BVqUAAAAJ:M3NEmzRMIkIC [EB/OL]. [2015-10-23]

[11] YOON S W, PARK H K, OH J H,etal.. Full extraction of 2D photonic crystal assisted Y3Al5O12∶Ce ceramic plate phosphor for highly efficient white LEDs [J].IEEEPhoton.J., 2014, 6(1):230281.

[12] CHEN H T, CHOY W C H, HUI S Y. Characterization, modeling, and analysis of organic light-emitting diodes with different structures [J].IEEETrans.PowerElectron., 2016, 31(1):581-592.

[13] HU S H, YU G Y, CEN Y C. Optimized thermal design of new reflex LED headlamp [J].Appl.Opt., 2012, 51(22): 5563-5566.

[14] CLARKE R, JACOB P, ERDOGAN O,etal.. Thermal modeling of 3-D stacked DRAM over SiGe HBT BiCMOS CPU [J].IEEEAccess, 2015, 3:43-54.

[15] LEE E K, VISWANATHAN H, POMPILI D. Model-based thermal anomaly detection in cloud datacenters [C].Proceedingsof2013IEEEInternationalConferenceonDistributedComputinginSensorSystems,Cambridge, 2013:191-198.

[16] SHABANY Y.HeatTransfer:ThermalManagementofElectronics[M]. Boca Raton: CRC Press, 2009.

[17] SURE A, SARMA K R, PARAMANANDAM K,etal.. Thermal modeling of organic light-emitting diode display panels [J].J.DisplayTechnol., 2015, 11(12):1048-1055.

[18] 陈军斌,杨悦. 最优化方法 [M] 北京: 中国石化出版社, 2011. CHEN J B, YANG R.MethodofOptimization[M]. Beijing: China Petrochemical Press, 2011. (in Chinese)

[19] CHEN R S, CHENG H E, HUANG C H,etal.. Design of thermal dissipation for the array power LED by using the RSM with genetic algorithm [J].Model.Numer.Simul.Mater.Sci., 2013, 3(1):12-26.

[20] MOLER C B. MATLAB数值计算 [M]. 张志涌, 译. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2015. MOLER C B.MATLABNumericalComputation[M]. ZHANG Z Y, transl. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press, 2015. (in Chinese)

Optimization Design of LED Daytime Running Lights Based on Thermal Analysis

ZHOU Jing1*, WU Xue-qiang1, LONG Xing-ming2

(1.StateKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipment&SystemSecurityandNewTechnology，ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;2.CollegeofPhysicsandElectronicEngineering,ChongqingNormalUniversity,Chongqing400044,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:jeanne_z@cqu.edu.cn

A new method was presented to design the LED automotive light, such as the LED daytime running light (DRL) based on the thermal analysis. Firstly, a LED was modeling by COMSOL software. And an experiment was carried out to acquire the distribution of temperature on the surface of LED. The testing results show that the LED model is valid for the thermal analysis. Then based on the model, the relationships between LED junction temperature and the interval of LEDs, and thickness of MCPCB were discussed detailedly. Finally, considering the costs, the proposed design of the LED DRL is that the interval between LEDs is 37 mm and the thickness of MCPCB is 1 mm.

LED automotive lights; daytime running lights; interval of LEDs; thickness of MCPCB; optimization design