車用LED燈源應(yīng)用與設(shè)計

汽車上的燈光系統(tǒng)不但讓駕駛者能實際了解汽車的狀況，更提供了安全駕駛過程中，所必須兼具的條件。而新一代的光源－LED，這對許多消費者來說一點也不陌生，甚至已進一步擴大應(yīng)用于汽車上，并根據(jù)各個應(yīng)用面對于效能的不同需求，選擇適宜的LED產(chǎn)品。基本上，由于LED與傳統(tǒng)的光源除了在外型上的差異之外，光形與效能輸出也有很大的差異，因此，要將LED完善地應(yīng)用在汽車頭燈上，包括光學設(shè)計與散熱設(shè)計等，將與傳統(tǒng)汽車燈具的設(shè)計概念有所不同。一旦汽車能與LED成功地進行整合，并克服技術(shù)門坎之際，將可為汽車設(shè)計開創(chuàng)出嶄新的設(shè)計原理。

汽車上的燈光控制系統(tǒng)

從周遭的汽車上，可以看到LED已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到汽車上，包括：轉(zhuǎn)向指示燈源、顯示或者是車內(nèi)相關(guān)照明，如汽車顯示儀表板、車頂照明燈，到車外的尾燈、前后指示燈、倒車燈、第三剎車燈等，或多或少都能見到LED在汽車燈源的相關(guān)應(yīng)用。從系統(tǒng)的角度來說，汽車上的燈光控制是汽車主體控制架構(gòu)中的一個子系統(tǒng)，主要包括：車門控制與儀表板顯示系統(tǒng)，而基本架構(gòu)則是收集車上各個開關(guān)的狀態(tài)量，并進一步視其狀態(tài)來對車上燈源進行驅(qū)動，并負載所需動作的電能。

由此可見，汽車主體控制系統(tǒng)控制必須是依照不同功率需求的燈源進行設(shè)計。換個角度，從LED在汽車上的應(yīng)用來看，雖然LED在第三剎車燈的應(yīng)用，到汽車尾燈、轉(zhuǎn)向燈到剎車燈，甚是在幾年前已將LED光源設(shè)置在車內(nèi)作為照明之用，一步步開創(chuàng)了LED作為車內(nèi)外照明之用的想象空間。

不同的應(yīng)用需求下　必須有不同的LED封裝技術(shù)

不同的LED組件有著不同的應(yīng)用途徑及環(huán)境范圍，因此封裝方式也有其差異，倘若LED的芯片及封裝技術(shù)能夠進一步提升，產(chǎn)品亮度更可提高一倍。當隨著應(yīng)用層次的不同，汽車中心廠必須要選擇不同LED光源與封裝技術(shù)，才能面對車上各個不同的環(huán)境要求。一般來說，LED在汽車工業(yè)方面的應(yīng)用，乃是根據(jù)亮度的差異，將其簡單歸類為，指示燈號用、投射光源用與照明光源等三種不同類型的需求列示如下：

?指示燈號的應(yīng)用－由于此范圍所使用的LED光源流明值需求不高，其消耗功率也較低（約為70～200mW），所生成的熱源對封裝體的影響較小，所以許多廠商在設(shè)計封裝時，往往會忽視掉熱源可能會導致的后果，因此，大部分是采用樹脂類的材料直接將LED整個包覆起來，再進行封裝的動作，也因為樹脂類的材料對于熱的傳導系數(shù)較低（W/mK），容易產(chǎn)生散熱不佳的情況，使得LED組件與散熱系統(tǒng)之間的接口熱阻系數(shù)，會因此而提高。

?車內(nèi)照明光源應(yīng)用－除了上述所應(yīng)用車內(nèi)指示燈源之外，還可用于亮度要求較高的車內(nèi)照明、霧燈與前后方向指示燈。因為亮度需求提高，其封裝功率也必須相對提升。不過，如此一來，LED很容易就會因為功率增加而影響到色彩衰減問題，因而不得不將散熱問題納入考慮的重點。在封裝設(shè)計上，除了可以使用樹脂類的材料封裝外，還可以設(shè)計一金屬塊能在第一時間便將LED所產(chǎn)生的熱源導出，以便維持LED的發(fā)光效率與熱阻問題。

?汽車投射燈源應(yīng)用－這是目前在LED在汽車應(yīng)用上封裝亮度要求最高的一樣，以前照明系統(tǒng)為主，包含了霧燈、近燈、遠燈，單個體的封裝必須達到4W以上，而熱阻則必須小于5K/W，才能在高溫的環(huán)境下，正常維持LED主體的散熱能力，保持LED光源的輸出效率在規(guī)定范圍內(nèi)。

不同的應(yīng)用層面　對于亮度需求也有所不同

基本上，以流明亮度的需求來看，一般在汽車內(nèi)部所使用的照明設(shè)備大約需要80流明的亮度，大多采用表面黏著型（Surface Mount Technology；SMT）的封裝方式，單體封裝約為2流明輸出之多，其發(fā)光效率則可以達到15～20lm/W之間。其次，車用的第三剎車光源則約略需要30流明的亮度，一般采用直徑5mm的炮彈型（Lamp）封裝技術(shù)，藉以加強設(shè)計光照角度及強度，再透過樹脂透鏡安裝在發(fā)光組件上，而達到對光的調(diào)節(jié)，其單體封裝亮度約4流明，發(fā)光效率則可達20～40lm/W。至于，汽車尾燈對于亮度的要求，約在300～500流明之間，一般采用1W的SMT封裝技術(shù)，單體封裝亮度約10～20流明，效率可達15～40lm/W。

以上是安裝在汽車上實際作為車體的光源量測數(shù)據(jù)，而目前LED廠與車廠正積極合作，試著將LED導入前照系統(tǒng)（頭燈、霧燈）中，其中車廠對于頭燈的亮度需求約2,000流明的白光，LED廠目前則應(yīng)用高瓦數(shù)的SMT LED封裝架構(gòu)，每單體封裝可輸出100～200流明，效率預(yù)期提高至50～100lm/W，目前使用于車上的燈源可區(qū)分為白熾燈泡、鹵素燈泡、氣體放電式燈泡與LED光源。

如何開始著手LED汽車頭燈設(shè)計

?規(guī)范要求

開始著手設(shè)計頭燈之前，應(yīng)先考慮法規(guī)上的相關(guān)規(guī)定，包括光型亮度、環(huán)境測試、亮度衰減等需求，進一步考慮相關(guān)光學設(shè)計，機構(gòu)設(shè)計，耐熱設(shè)計與電控設(shè)計等細節(jié)，對于LED而言，光學設(shè)計的考慮除了反射罩設(shè)計之外，尚需考慮LED本身的出光光型，不同的封裝型態(tài)將產(chǎn)生不同的光型輸出，進一步將影響反射罩或成像透競的要求，與傳統(tǒng)頭燈設(shè)計需考慮不同燈泡（H1、H4、H7、H11等）類似。

在傳統(tǒng)的頭燈設(shè)計上，燈泡本身的光子釋放來自加熱鎢燈絲，不會因自身發(fā)出的熱或來自引擎室的高溫而影響亮度輸出，散熱重點落在整個頭燈腔體的均溫設(shè)計而非燈泡的散熱，但在頭燈材料的選擇上則需考慮是否可承受來自燈泡的高溫，如汽車頭燈腔體約承受100℃的溫度，霧燈腔內(nèi)溫度可高至300℃，所以在此選用的材料一般都以耐熱材為主。然而對于LED而言，其光子釋放來自于PN接口的能階跳動，與溫度呈現(xiàn)負相關(guān)，溫度越高則光源輸出越弱，因此散熱成為LED作為光源設(shè)計的重要課題。

?光學設(shè)計

光學設(shè)計時先考慮法規(guī)需求，討論視角與強度關(guān)系，以近燈為例須針對其特殊的15度揚角設(shè)計。在傳統(tǒng)的燈具設(shè)計上由先期的利用反射罩配合透鏡刻紋作角度與強度的控制，演變成為利用反射罩直接控制強度角度，也發(fā)展出利用成像方式的魚眼透鏡設(shè)計法。不論何種的設(shè)計方式都須先考慮選用光源的特性，特別是角度與強度的光型輸出（Beam pattern），對傳統(tǒng)的光源而言，大多為柱狀光源，可產(chǎn)生類似蝴蝶外型的光型輸出，進而發(fā)展出來與之搭配的透鏡、反射罩、擋板、透鏡等光學組件。而利用LED作為光源設(shè)計燈具時，需重新考慮其光學特性由傳統(tǒng)的柱狀光源變?yōu)槠矫婀庠?，進而搭配外部的光學組件而產(chǎn)生不同組合以應(yīng)用于不同產(chǎn)品，依照德國車燈大廠HELLA的設(shè)計分類，可將光源分為八大類。

LED目前的單位面積發(fā)光量尚不及鹵素燈泡與放電式燈泡，想得到相同的流明輸出，LED需要較大的封裝面積。隨著光源輸出面積的增加，光學設(shè)計的難度也隨之提升，所以在現(xiàn)有的概念車上，都以模塊化光學設(shè)計取代既有的單一燈室設(shè)計，利用多組燈源達到傳統(tǒng)燈具的照明水平，除了降低光學設(shè)計的難度，也增加車體造型的設(shè)計感。

由于LED的輸入電能約有90%的轉(zhuǎn)換熱能必須排出，這遠比傳統(tǒng)燈源要來的高上許多；另外，LED晶粒歸類于半導體材料，不能耐高溫（＜120°C），由晶粒至大氣的排熱只容許約50°C溫差，更是遠低于傳統(tǒng)燈泡，因此，散熱設(shè)計是LED光源區(qū)別于傳統(tǒng)光源的課題之一，再加上燈具不能使用風扇散熱，而且燈具產(chǎn)品要能推廣到汽車市場普及，還得要進一步考慮到外觀造型與燈具的光學設(shè)計原理，這將是高功率LED照明設(shè)備極為困擾的問題。

嚴格來說，傳統(tǒng)所使用的燈具所產(chǎn)生的熱源其實遠高于LED；不過，傳統(tǒng)燈具不會因為高溫而降低其光源輸出能力，但，LED的光輸出卻會因為本身接口問題，使LED的發(fā)光