光導型LED晝間行車燈的熱學管理

基于LED的特性，LED的輻射光能量完全取決于驅動電流和結溫。因此良好的熱學管理系統是LED應用發揮良好性能的前提。在汽車光導型晝間行車燈應用領域，由于微小的光源空間尺寸和較低效光學系統的約束，必須使用高功率LED而導致熱量的集中。因此，良好的熱學管理方案必須被采用在光導型晝間行車燈應用中。

　　本論文采用歐司朗光電半導體QFN封裝LED KWH2L531.TE作為光源，考慮了高性能的熱學管理系統。對多種PCB的熱學性能進行了比較，分析了散熱器的影響，著重強調PCB材料的選擇以及散熱器設計的重要性。

　　光導型晝間行車燈介紹

　　光導是一種基于光的全反射原理的導光器件，當光從光密介質傳輸到光疏介質時，根據斯涅爾定律和全反射定律可知，當入射角大于臨界角時，光不會通過光密介質出射到光疏介質，而是在兩個介質的分界處發生了全反射現象；因此當光在光導（光密介質）中以大于臨界角傳輸時，發生全反射現象使得光在光導中不斷向前傳輸，若在光導表面做一些波紋或鋸齒結構的處理，破壞光的全反射條件，使得一部分光逸出導光管，通過調節波紋和鋸齒就能實現光導表面均勻的亮度分布；由于光導的效率相對反射器和透鏡較低，根據光導的形狀不同，效率也不同。要實現ECE R87的DRL最低400cd要求，通常一根光導需要500lm左右的光通量，根據目前LED的效率，至少需要兩顆芯片來實現。由于光導直徑通常只有6mm到8mm，因此對LED顆粒的尺寸要求很高，目前各LED大廠都發布了小尺寸封裝(圖1)，在700mA電流下，每顆芯片能達到200lm左右；所以通常需要兩顆單獨的LED顆粒而且在加大電流的條件下才能實現；

　　歐司朗光電半導體最新的QFN封裝LED KWH2L531.TE（圖2），單顆額定功率6.5W，最大驅動電流為1.2A，最高工作結溫150℃，短時間工作可以達到175℃，因此特別適合對溫度要求較高的前向燈中應用。該LED兩顆芯片封裝在一起，芯片間距只有0.1mm，相比用兩顆單獨LED的方式極大的減小了間距，可以提高光導的耦合效率。目前KWH2L531.TE 在驅動電流1A，25℃條件下，可以達到560lm；即使考慮光衰，一顆LED就可以實現單根光導日間行車燈的要求，但由于芯片比較集中，導致熱量聚集，所以對整個系統的散熱性能要求較高。本文以歐司朗KWH2L531.TE LED為例，著重從散熱角度出發，對整個散熱系統的性能進行了分析和比較，對光導型DRL的散熱系統給出了合適的建議。

圖1 LUW CEUP

圖2 KWH2L531.TE

　　光導型晝間行車燈散熱系統的分析　　光導型晝間行車燈散熱系統的分析

　　基于KWH2L531.TELED光導型晝間行車燈系統（如圖3）包括光學器件（光導），LED以及散熱器件（圖4）。

圖3 光導晝間行車燈系統

圖4 晝間行車燈散熱系統

　　所以PCB和散熱器將是影響整個散熱系統的主要因素，為了簡化分析，并且得到更直觀的比較，將PCB和散熱器分別進行獨立的分析和比較。

　　光導型晝間行車燈散熱設計需要考慮的因素

　　1）PCB設計

　　對于一顆熱流密度高，單顆功耗達到6.5W的 LED來說，選擇金屬基板的PCB是必要的。目前市場上金屬基板PCB有兩種，分別為鋁基板和銅基板，但是基于成本和實際LED熱量考慮，銅基板不在本論文中被采用。鋁基板通常由三層組成（如圖5）：導電層（銅），絕緣層（環氧混合導熱材料）以及襯底鋁層。

圖5 鋁基板

　　在整個PCB組成材料中，絕緣層的導熱系數通常較鋁和銅低很多，一般在0.35w/m.k~3.0w/m.k之間，所以絕緣層材料的導熱性能直接決定了整個PCB的性能，通常也直接決定了PCB的板材價格。

　　如圖6所示，將PCB獨立分析，銅皮厚度設定為35um，PCB背面設定為25℃恒定溫度并給與無限大對流，僅考慮熱傳導，LED熱功耗為5.2W。選擇了三種典型PCB材料（圖7）進行分析，得到（圖8）的結果。

圖6 PCB分析設定

圖7 三種不同的PCB絕緣層性能比較

圖8 三種不同絕緣層溫度分布及熱阻比較

　　如圖8所示，導熱系數為0.35W/m.k，厚度為75um的PCB相比導熱系數3.0W/m.k，厚度38um PCB，熱阻高了近8K/W，引起的溫升為43℃。通過圖9，可以很明顯發現，這足以導致兩則光衰差10%以上，甚至出現顏色漂移等現象。通常來說，絕緣層導熱系數高且厚度薄能夠極大程度的降低PCB的熱阻，但是價格也會隨之成倍增加，因此對于LED KWH2L531.TE，若有散熱器空間尺寸限制或有高光通量的要求，通常需要采用高性能的PCB，若要權衡價格和性能，一般建議采用絕緣層導熱系數在2.0W/m.k左右，厚度為75um的鋁基板。

圖9 KWH2L531.TE光通量及顏色隨溫度變化曲線

　　2）散熱器設計

　　對于光導型晝間行車燈散熱器的設計，通常有兩種方法：散熱器外置和內置方式，本論文基于圖3，直徑為55mm，翅片高度35mm的鋁擠型散熱器，采用導熱系數為2.2W/m.k，絕緣層厚度為75um的PCB，對散熱器內外置兩種方式進行了對比分析。

圖10 散熱器外置溫度分布圖

圖11 散熱器內置溫度分布圖

　　從圖10，圖11得到，基于同樣的散熱器尺寸和PCB性能，當散熱器外置時，RthJA（結點到環境熱阻）為10.7K/W，LED結溫為106℃；當散熱器內置時，RthJA為15.1K/W，LED結溫為125℃。因此外殼引起的熱阻差異到達4.4K/W，結溫相差19℃。所以在實際散熱系統設計中，若散熱器能夠外置，可以做的相對較小或可以選擇成本更低的PCB來實現相同的結溫和光通量。

　　綜合上述的因素，PCB板性能和散熱器的設計直接影響了LED的表現。

　　總結

　　本文主要介紹了利用OSRAM KWH2L531.TE LED光導型DRL的散熱設計以及分析討論了影響散熱設計的兩個主要因素，PCB材料選擇和散熱器設計。根據光導型DRL實際應用能夠提供的空間，選擇合適的PCB及散熱器放置方式，能夠使LED發揮高效的表現。