光导型LED昼间行车灯的热学管理

光导是一种基于光的全反射原理的导光器件，当光从光密介质传输到光疏介质时，根据斯涅尔定律和全反射定律可知，当入射角大于临界角时，光不会通过光密介质出射到光疏介质，而是在两个介质的分界处发生了全反射现象。因此当光在光导（光密介质）中以大于临界角传输时，发生全反射现象使得光在光导中不断向前传输，若在光导表面做一些波纹或锯齿结构的处理，破坏光的全反射条件，使得一部分光逸出导光管，通过调节波纹和锯齿就能实现光导表面均匀的亮度分布。由于光导的效率相对反射器和透镜较低，根据光导的形状不同，效率也不同。要实现ECE R87的DRL最低400cd要求，通常一根光导需要500lm左右的光通量，根据目前LED的效率，至少需要两颗芯片来实现。由于光导直径通常只有6mm到8mm，因此对LED颗粒的尺寸要求很高，目前各LED大厂都发布了小尺寸封装(图1)，在700mA电流下，每颗芯片能达到200lm左右；所以通常需要两颗单独的LED颗粒而且在加大电流的条件下才能实现。

欧司朗光电半导体最新的QFN封装LED KWH2L531.TE（图2），单颗额定功率6.5W，最大驱动电流为1.2A，最高工作结温150℃，短时间工作可以达到175℃，因此特别适合对温度要求较高的前向灯中应用。该LED两颗芯片封装在一起，芯片间距只有0.1mm，相比用两颗单独LED的方式极大的减小了间距，可以提高光导的耦合效率。目前KWH2L531.TE 在驱动电流1A，25℃条件下，可以达到560lm；即使考虑光衰，一颗LED就可以实现单根光导日间行车灯的要求，但由于芯片比较集中，导致热量聚集，所以对整个系统的散热性能要求较高。

本文以欧司朗KWH2L531.TE LED为例，着重从散热角度出发，对整个散热系统的性能进行了分析和比较，对光导型DRL的散热系统给出了合适的建议。

               
                     图1  LUW CEUP                                                         图2   KWH2L531.TE

光导型昼间行车灯散热系统的分析

基于KWH2L531.TE LED光导型昼间行车灯系统（如图3）包括光学器件（光导），LED以及散热器件（图4）。

 
图3 光导昼间行车灯系统

 
图4 昼间行车灯散热系统

所以PCB和散热器将是影响整个散热系统的主要因素，为了简化分析，并且得到更直观的比较，将PCB和散热器分别进行独立的分析和比较。

光导型昼间行车灯散热设计需要考虑的因素

1）PCB设计

对于一颗热流密度高，单颗功耗达到6.5W的 LED来说，选择金属基板的PCB是必要的。目前市场上金属基板PCB有两种，分别为铝基板和铜基板，但是基于成本和实际LED热量考虑，铜基板不在本文中被采用。铝基板通常由三层组成（如图5）：导电层（铜），绝缘层（环氧混合导热材料）以及衬底铝层。

 
图5 铝基板

在整个PCB组成材料中，绝缘层的导热系数通常较铝和铜低很多，一般在0.35w/m.k~3.0w/m.k之间，所以绝缘层材料的导热性能直接决定了整个PCB的性能，通常也直接决定了PCB的板材价格。

如图6所示，将PCB独立分析，铜皮厚度设定为35um，PCB背面设定为25℃恒定温度并给与无限大对流，仅考虑热传导，LED热功耗为5.2W。选择了三种典型PCB材料（图7）进行分析，得到（图8）的结果。

 
图6 PCB分析设定

 
图7 三种不同的PCB绝缘层性能比较

 
图8 三种不同绝缘层温度分布及热阻比较

如图8所示，导热系数为0.35W/m.k，厚度为75um的PCB相比导热系数3.0W/m.k，厚度38um PCB，热阻高了近8K/W，引起的温升为43℃。通过图9，可以很明显发现，这足以导致两则光衰差10%以上，甚至出现颜色漂移等现象。通常来说，绝缘层导热系数高且厚度薄能够极大程度的降低PCB的热阻，但是价格也会随之成倍增加，因此对于LED  KWH2L531.TE，若有散热器空间尺寸限制或有高光通量的要求，通常需要采用高性能的PCB，若要权衡价格和性能，一般建议采用绝缘层导热系数在2.0W/m.k左右,厚度为75um的铝基板。

         
图9 KWH2L531.TE光通量及颜色随温度变化曲线

2） 散热器设计

对于光导型昼间行车灯散热器的设计，通常有两种方法：散热器外置和内置方式，本文基于图3，直径为55mm，翅片高度35mm的铝挤型散热器，采用导热系数为2.2W/m.k，绝缘层厚度为75um的PCB，对散热器内外置两种方式进行了对比分析。

          
图10 散热器外置温度分布图

 
图11 散热器内置温度分布图

从图10，图11得到，基于同样的散热器尺寸和PCB性能，当散热器外置时，RthJA（结点到环境热阻）为10.7K/W，LED结温为106℃；当散热器内置时，RthJA为15.1K/W，LED结温为125℃。因此外壳引起的热阻差异到达4.4K/W，结温相差19℃。所以在实际散热系统设计中，若散热器能够外置，可以做的相对较小或可以选择成本更低的PCB来实现相同的结温和光通量。

综合上述的因素，PCB板性能和散热器的设计直接影响了LED的表现。(本文作者：欧司朗光电半导体汽车照明 应用工程师 朱旭平)


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