照亮前方—LED汽车头灯的设计要点

照亮前方—LED汽车头灯的设计要点

摘要

LED对于消费者而言并不陌生，已经广泛的应用于车上，依照不同的效能需求选择适当的LED产品，LED相较于传统光源除了外型不同外，效能输出与光型输出亦大不相同，应用于头灯时将面临光学设计与散热设计等不同于传统灯具之设计概念。然而也因其不同于传统光源之特性，当与车体成功整合克服技术难题后，将为车型开创崭新的设计概念。

车上的LED

LED已经广泛的应用于车内的相关照明或指示用光源，由图1可知，从车内的仪表板灯、车顶灯、化妆灯、迎宾灯等，到车外的尾灯、前后转向灯、倒车灯、第三刹车灯等都可见到LED的相关应用。

图1 车上的LED应用
资料来源：Toyota Gosei

从LED的应用历史来看，早在1992年时已经有LED应用于第三刹车灯上的先例；而在2000年时则进一步的应用于尾灯、转向灯与刹车灯；到了2002年Audi A8率先将LED光源置于前置灯具内作为日行灯，开启了设计师与工程师们在前置灯具的想象空间。在之后的许多国际车展上都可以看到LED作为前照灯源的概念车，如图2所示。

图2 LED头灯概念车
资料来源：Detroit Auto Show

LED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相关设备，以现有的卤素灯泡或是放电式灯泡设计的灯具总长约300mm，而在许多概念车的设计上，LED灯具只有125mm长。而藉由体积小的优势，更可以配合设计多款不同的造型设计，进而为车体造型创造不同的视觉观感，跳脱传统灯具的圆形设计。

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70mW~200mW，产生的热量对于封装体影响较小，因此在封装上会忽略此热量造成的影响，而直接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)，所以其相关热阻会因散热不易而升高至50~200K/W；而照明用光源其封装功率会相对提高，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1~5W)，散热部分不能如指示光源般不考虑散热问题，除了树脂类材料封装外尚需利用金属块将热导出以维持出光效率，其热阻维持在15K/W以下；而投射用光源则是光源封装亮度需求最高者，其应用产品以前照系统(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维持散热能力，并保持光源输出效率在可用的范围内。

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，一般选用表面黏着型(SMT)的封装，单体封装约2流明输出，效率可达15~20lm/W。以第三刹车灯而言大约需要30lm的亮度，一般选用炮弹型的封装结构(φ=5mm)，单体封装亮度约4流明，效率可达20~40lm/W。

而尾灯组对于亮度需求约300~500lm，一般选用1W的SMT封装结构，单体封装亮度约10~20lm，效率可达15~40lm/W。以上都是已经应用于车体的光源，而目前LED厂与车厂正积极合作，试着将LED导入前照系统(头灯、雾灯)中，其中车厂对于头灯的亮度需求约2000流明的白光，LED厂目前则应用高瓦数的SMT LED封装架构，每单体封装可输出100~200lm，效率预期提高至50~100lm/W。

目前使用于车上的灯源可区分为白炽灯泡、卤素灯泡、气体放电式灯泡与LED光源，其比较如图4所示。

LED在头灯的设计

开始着手设计头灯之前，应先考虑法规上的相关规定，包括光型亮度，环境测试，亮度衰减等需求，进一步考虑相关光学设计，机构设计，耐热设计与电控设计等细节，对于LED而言，光学设计的考虑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，进一步将影响反射罩或成像透竞的要求，与传统头灯设计需考虑不同灯泡(H1、H4、H7、H11等)类似。在传统的头灯设计上，灯泡本身的光子释放来自加热钨灯丝，不会因自身发出的热或来自引擎室的高温而影响亮度输出，散热重点落在整个头灯腔体的均温设计而非灯泡的散热，但在头灯材料的选择上则需考虑是否可承受来自灯泡的高温(头灯腔体约承受100℃的温度，雾灯腔内温度可高至300℃)，所以在此选用的材料一般都以耐热材为主；然而对于LED而言，其光子释放来自于PN接口的能阶跳动，与温度呈现负相关，温度越高则光源输出越弱，因此散热成为LED作为光源设计的重要课题。

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特殊的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控制，演变成为利用反射罩直接控制强度角度，也发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，特别是角度与强度的光型输出(Beam pattern)，对传统的光源而言，大多为柱状光源，可产生类似蝴蝶外型的光型输出，进而发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(不同的封装设计有不同的光型输出)，进而搭配外部的光学组件而产生不同组合以应用于不同产品，依照德国车灯大厂HELLA的设计分类，可将光源分为八大类，如图6 所示。LED目前的单位面积发光量尚不及卤素灯泡与放电式灯泡，想得到相同的流明输出，LED需要较大的封装面积。随着光源输出面积的增加，光学设计的难度也随之提升，所以在现有的概念车上，都以模块化光学设计取代既有的单一灯室设计，利用多组灯源达到传统灯具的照明水平，除了降低光学设计的难度，也增加车体造型的设计感。

图6 头灯设计相关技术
资料来源：Hella

图7 LED光源设计
资料来源：Hella

散热设计是LED光源区别于传统光源的课题之一。传统灯具产生的热远高于LED，但传统灯具不会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封装结构材料息息相关，牵涉到使用的散热材料与相关外型，关系如图9所示，其中热阻的概念，代表输入W功率时，需要提高多少K温度才足以散热。以现有的封装技术最高可允许LED操作在185℃(Lumiled K2)，但一般因为封装胶材的关系，可允许的操作温度约在125℃，除了考虑光源输出效率之外，亦考虑封装胶材的变质(树脂类材料在高温有老化现象)。

图8 接口温度对光源输出的影响
资料来源：Lumiled

引擎室的温度在灯具附近最高可到85℃，配合Lumiled K2可有100℃的散热空间，但若配合一般的LED则只有40℃的散热空间，观察相关热阻，R_Junction-Slug、R_Slug-Board都决定于封装体，对设计者而言只能针对R_Board-Ambient努力，其中包括如何将封装体固定于散热基板上(接着质量)、散热结构外型设计、主被动散热考虑与外部环境等条件。因此在此处应该与机构进行相关模拟设计，取得灯具在引擎室内的流场与温度条件后再考虑所需的散热模式，若选用被散动热得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，虽然所需散热环境较小，但因为增加了风扇等可动件，反而需考虑此可动件可否通过车灯上的相关法规，包括震动、粉尘、腐蚀与湿气等严苛环境。

图9 封装与散热热阻关系
资料来源：Lumiled

LED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示相关的概念车，但在头灯部分尚未看见有成品出现，仍有需多问题尚待解决。其中主要问题应在于亮度输出、散热问题与误差设计。

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封装体Luxeon emitter在25℃的总光源输出，但当其外界温度升高至50℃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均匀而发展出所谓的分类销售的过程，特别是高瓦数的芯片在LED产业上是全检出货，依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于头灯时，不可避免会利用多颗芯片以输出足够亮度进行光学设计，此时需特别注意LED质量检测与质量控制的环节，以确保相同质量的光源输出。

结语

自2003年以降，超过13家以上的车厂在相关车展上展出以LED头灯为诉求的概念车。例如，Lexus车厂发布消息，在2007年中将推出一款以LED为头灯的量产车。相信存在于LED的相关工程问题将在消费者的殷殷期盼下一一解决，且让我们拭目以待。

来源：21IC