思維風暴：看頂尖LED前照燈設計

　　市光工業并未公布結溫接近室溫時的發光效率。一般而言，實際使用環境下的發光效率通常要比結溫接近室溫時低數十個百分點。

　　從基礎設計起便實施熱流體解析模擬

要想降低LED前照燈的耗電量，只通過第一回中提到的配光控制來減少白色LED的光損失，并在少數幾個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下使用白色LED。而其中的關鍵就在于如何使白色LED產生的熱量釋放出去的散熱設計。其實，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，則發光效率就會下降，導致發熱量增加。這樣一來，就會陷入發光效率進一步下降、發熱量變得更大的惡性循環。

圖7：前照燈熱設計的定位

圖8：LED前照燈的建模

　　此次市光工業在LED前照燈的散熱設計中使用了熱流體解析模擬技術。在前照燈散熱設計中使用熱流體解析模擬的情況并不少見，不過，此次是在更上游的設計過程，也就是樹脂等材料的耐熱性、對流、部件布局及散熱片的設計等基礎設計中使用了該模擬技術，由此高效推進了散熱設計。

　　前照燈的熱設計經過基礎設計、詳細設計、試制試驗以及設計變更這四大過程后應用于產品（圖7）。據市光工業負責散熱設計的菊池和重（開發本部核心工程部模擬課資深專家、解析技術高級工程師）介紹，在基礎設計中，雖然模擬用模型的建模難度并不高，所花工時并不多，但通過計算獲得的信息卻占到了整個設計的60％之多（圖8）。此次LED前照燈通過在這一基礎設計中使用模擬技術，獲得了顯著效果。

由于能夠分離光和熱，可應用于基礎設計中

　　那么，此次為何能夠在基礎設計中使用模擬呢？其答案就在于LED前照燈中的熱量的流動特點。從白色LED為起點的散熱路徑來看，其流動途徑為：

作為發熱源的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封裝底面擴散的熱擴散器
↓
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，從白色LED到外部空氣的整個路徑均為串聯狀態（圖9）。而鹵燈及HID燈等已有光源的散熱路徑頗為復雜。原因在于燈源本身同時向外部空氣放射光與熱。也就是說無法以簡單的串聯狀態體現出來。因此，其基礎設計中的散熱模型較為復雜，只能在試制試驗及設計變更的過程中使用模擬。

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。由于LED表面的熱放射可忽略不計，因此熱量的流動途徑便如上所述。所以，基礎設計中的建模變得簡單，能夠實施熱流體解析模擬。憑借模擬效果，此次LED前照燈的熱解析實現了±2℃的計算精度，只用兩天時間就完成了散熱設計。

　　利用模擬對散熱片等部分進行基礎設計并掌握大致形狀及基本性能后，市光工業試制了1次產品。然后經過最佳形狀和細微部分的設計，進入了對最終形狀下的散熱性能進行確認的量產產品設計。由于計算精度較高，因此還有可能在下次及以后不試制產品便使用于量產。此次是市光工業首次量產LED前照燈，因此還是試制了實際產品。另外，散熱片及配光控制用反光鏡等基礎設計中的熱模擬耗時約2個半小時，而白色LED到散熱片只需1個半小時。此次將散熱片等部分劃分為約70萬個網格進行了計算。

降低散熱片和連接部的熱阻

　　據市光工業介紹，此次進行LED前照燈的散熱設計時，還探討了散熱路徑中的散熱片連接部及散熱片本身的設計。其原因在于，LED產品是在LED芯片乃至熱擴散器都收放在白色LED封裝內的狀態下從LED廠商采購的，前照燈廠商無法變更。

　　在散熱片連接部及散熱片方面，要解決的問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、彈簧及螺釘等來保持將白色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熱片，并對其伴隨時間的劣化以及面積、厚度進行管理。在散熱片方面，需要在不組合冷卻扇、且不影響前照燈設計的大小及形狀上下工夫。此次進行熱設計時，設計前提是向每個白色LED輸入的10W功率中會有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達到130℃進行的設計。

　　未來力爭只使用1個白色LED

　　市光工業提出了新一代LED前照燈的目標，這便是實現遠光燈和近光燈的光源一體化，每個前照燈只使用1個LED等。目的是降低耗電量并通過減少部件數量來推進低成本化、小型化及輕量化。目前該公司正在朝著這一目標推進開發。此次推出的LED前照燈在遠光燈時使用鹵燈，在近光燈時使用了2個白色LED。

　　如何才能將這些光源減為1個呢？簡單地說，可以考慮將白色LED安裝的LED芯片從目前的4個增加到8個，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芯片數量，成本就會上升。而增加輸入電流的話，LED芯片上的熱密度就會上升，進一步使得LED芯片結溫上升，從而導致發光效率下降。而且這樣做，白色LED上也容易蓄熱。

　　不過，白色LED技術目前也在逐年進步，市光工業預計2～3年后便可獲得亮度達到目前2倍以上、超過1000lm的白色LED。即使結溫升高，今后也會開發出發光效率高的白色LED，并且通過降低熱阻、提高散熱性，發光效率還會比目前進一步提高。開發出此次使用的白色LED的飛利浦流明（Philips Lumileds Lighting）在2010年11月舉行的“Green Device 2010”上發表主題演講時，就曾宣布正在開發亮度可達到1000lm以上的白色LED。

　　亮度超過1000lm的話，便能夠以1個白色LED實現LED前照燈。市光工業正在研發僅使用1個白色LED的LED前照燈，雖然尚未公布相關細節，但表示“在研究層面上很快會制作出來”（市光工業開發本部研究開發部P2P3第一項目組負責人村橋克廣）。該公司并未明確提出使用1個白色LED的LED前照燈何時達到實用水平，但技術上來看，“5年后在市面普及也不足為奇”（村橋）。

　　在市光工業2005年著手共同開發此次的LED前照燈時，以2個白色LED來獲取足夠亮度還“是非常困難的事”（村橋）。不過，鑒于白色LED在技術上的不斷進步，該公司仍對使用2個白色LED的設計展開了攻關。目前該公司正基于白色LED技術進步的設想，展開僅使用1個白色LED的設計。

　　1個白色LED是新的起點

　　市光工業表示，LED前照燈配備1個白色LED并不是終點。雖然白色LED通常要采用多個LED芯片來獲得足夠的亮度，但是該公司還打算隨著LED芯片的性能提高，為進一步降低成本而削減LED芯片的數量。這一目標得以實現的話，便有望使白色LED實現小型化。而白色LED變得既小又便宜的話，就有可能使用多個白色LED來推進可變配光系統的進步。

　　市光工業介紹說，該公司還考慮將半導體激光器作為繼LED之后的新一代光源。半導體激光器通過連接光纖，可使光的發射部和發熱部（