一種大功率LED車燈光源的開發與研究

摘? 要：針對鹵素燈使用壽命短、發光效率低等缺點，基于熱電分離式理念設計出一種新型金屬基板（MCPCB，Metal Core Printed Circuit Board），并將其與25W的LED燈珠組裝成模組之后開發出一款大功率LED車燈光源。同時，利用紅外線成像儀及積分球系統對相同功率的鹵素車燈與LED車燈的發光表面溫度以及光學特性進行了對比研究。結果表明，當環境溫度為25±1℃時，鹵素燈表面最高溫度大于350℃，而LED車燈表面最高溫度僅為127℃;當LED能耗為鹵素燈的56.64%時，其對應的光學特性指標，如光通量、光功率及光效分別為后者的3.67倍、1.74倍、6.52倍，表現出強大的性能優勢。

關鍵詞：鹵素燈;MCPCB;熱電分離;LED車燈光源;發光表面溫度;光學特性

中圖分類號：TN305.94? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）10-0067-03

Abstract： In order to address the shortcomings such as short lifetime and insufficient luminousefficiency of halogen lamp， a novel MCPCB（Metal Core Printed Circuit Board）in light of thermoelectric separation concept was designed and fabricated. This new MCPCB was then mounted with 30W LED for the preparation of LED module which was later turned into a high-power LED automobile lamp. Meanwhile， the luminous surface temperature and optical characteristic of the above mentioned LED automobile lamp and halogen lamp of the same power were investigated for a comparativestudy. It was found that the highest luminous surface temperature of halogen lamp was more than 350℃ and that of LED automobile lamp was 127℃; When the energyconsumption of LED automobile lamp was only 47.04% of that of the halogen lamp， its opticalperformances such as luminous flux， luminous power and luminous efficiency were 2.7 times， 1.45 times and 5.62 times as much as that of the counterpart.

Keywords： halogen lamp; MCPCB; thermoelectric separation; LED automobilelamp; luminous surface temperature; optical properties

1 概述

眾所周知，在LED的發展過程中，散熱問題一直是一個不容忽視的問題，而散熱基板材料的選擇則成為LED封裝散熱至關重要的一環[1]。高效的散熱基板材料能有效降低LED的結溫，同時改善其綜合性能，增強其對周圍環境的適應能力[2]。一般而言，目前最為常用的散熱基板材料有金屬基板（MCPCB，Metal Core Printed Circuit Board）和陶瓷兩種[3]。其中，MCPCB因受制于絕緣層，其導熱率較為低下，不適合中大功率LED的散熱需求[4]。而陶瓷基板因為價格昂貴、加工成本較高以及脆性較大的緣故使得其應用受限[5]。鑒于此，本文借鑒熱電分離式理念[6]，設計出一種散熱性能良好的新型MCPCB，并將其應用于LED封裝散熱，開發出一種適合汽車照明的大功率LED車燈光源。同時，通過對鹵素燈與LED燈的光、電、熱性能進行對比研究，凸顯LED車燈光源相對于鹵素燈的巨大優勢，為LED車燈照明工程應用提供技術參考。

2 LED車燈光源的設計

圖1所示是LED車燈光源的結構圖，它由LED模組、散熱體及外接驅動（略）所組成。其中，LED模組是通過SMT工藝在高溫下利用錫膏對LED與焊盤的潤濕性將LED燈珠焊接在散熱基板上所獲得，如圖1b所示[6]。在圖1b中所使用的新型MCPCB與普通MCPCB不同，普通MCPCB由“金屬基座-絕緣層-線路層”所組成，層與層之間互不連通，僅僅依靠絕緣層的粘性實現連接。而在這種新型MCPCB中，金屬基座被加工成了凸臺狀，且凸臺貫穿絕緣層與線路層成為LED的安放點。

3 實驗部分

3.1 實驗原料及儀器設備

原材料：LED車燈光源、鹵素燈。

儀器設備：RNO IR160紅外線成像儀、伏達UI2058電源綜合性能測試儀、積分球系統（遠方2m積分球&HAAS-2000光譜輻射計）、力茲LEDT-300B結溫測試儀。

3.2 實驗過程

參照IEC62384：2006標準，利用電源綜合性能測試儀對LED與鹵素燈的電壓、電流、功率、及功率因數等電性能參數進行測試;參照GB/T 19870-2018標準，利用紅外線成像儀分別對LED及鹵素燈的發光表面溫度進行測量，同時設置環境溫度為25±1℃，設置輸入電壓恒壓12V;參照GBT 24824-2009標準，利用積分球系統對LED與鹵素燈的光通量、光功率、光效、主波長、色溫等光學性能進行表征，同時設置環境溫度為25±1℃。

4 分析與討論

如表1所示，當LED與鹵素燈的輸入電壓均為12V時，前者的輸入電流為2.56A，而后者的輸入電流達到了4.54A，兩者的總功率則分別為30.72W和54.5W，前者能耗僅為后者的56.64%。

分別是利用紅外線成像儀對LED及鹵素燈發光表面的溫度測試結果。通過觀察可以發現，因鹵素燈通過鎢絲發熱而發光，所以其發光表面的最高溫度達到了350℃以上。而LED通過PN結內部的電子與空穴的復合而發光，且由于在本案例中使用了熱電分離式MCPCB作為散熱基板，所以其發光表面的最高溫度僅僅為127℃。有研究指出[7-8]，金屬凸臺雖然由自由電子的運動和聲子傳播共同實現熱量的傳遞，但是仍然以自由電子的運動為主，聲子的傳播占比極小。而絕緣層因主要由聚合物所組成，不含自由電子，其傳熱主要依靠聲子傳播來進行。同時，因熱電分離式MCPCB的散熱凸臺與絕緣層之間的熱傳導主要依靠聲子來實現，而二者之間又存在著一個較大的界面熱阻，會對聲子形成散射。所以，大部分熱量就被限制在散熱凸臺之內。此時，因凸臺與基座本為一體，因此為熱量的傳輸提供了極為有利的通道。因此，較之普通的MCPCB，熱電分離式MCPCB具備壓倒性的散熱優勢，這便是LED發光表面溫度僅為127℃的一個重要原因。

其中LED其波長為380nm-780nm，均在可見光范圍之內，而鹵素燈光譜含有少量的紫外成分及大量的紅外成分，且只有部分光譜在380nm-780nm的可見光波長范圍之內，而另外一部分光譜則分布在可見光波長范圍之外。另外，鹵素燈的色溫為2976K，對應光的顏色為黃色。而LED色品圖中的色溫為6144K，對應光的顏色為白色，顯然更適用于汽車燈的照明。結合積分球系統所測得的其它參數，鹵素燈與LED燈的光色參數如表2所示。從表中可以看出，LED的光通量為2897lm，鹵素燈的光通量為788.2lm，前者是后者的3.67倍;LED的輻射通量為8.475W，鹵素燈的輻射通量為4.843W，前者是后者的1.74倍;LED的出光效率為94.30lm/W，鹵素燈的出光效率為14.46lm/W，前者是后者的6.52倍。前文已述及，熱電分離式散熱基板較之普通的MCPCB具備極大的散熱優勢。因此[9]，LED車燈光源在使用熱電分離式MCPCB進行散熱時，LED的結溫會較之使用普通MCPCB時出現大幅度降低。而結溫降低會導致藍光芯片的輻射復合效率會有所增加，這樣便有效提升了LED的電光轉換效率，從而增加了藍光輻射。同時[10-11]，由于LED結溫降低，位于藍光芯片上方的熒光粉層的溫度也會隨之而降低，從而熒光粉的熒光效率也會升高，最終使得LED的光通量、輻射通量與光通量光效均有較大的提升，這便是利用熱電分離式MCPCB進行安熱的LED車燈光源在能耗低于鹵素燈的前提下，卻能獲得較高的能效的主要原因之一。

5 結論

熱電分離式MCPCB可利用金屬凸臺進行高效熱傳導，較之普通MCPCBG具備極大的散熱優勢，可大幅降低LED的結溫，增強LED的光通量、輻射通量及出光效率等光學性能，是大功率LED取代鹵素燈作為汽車照明光源的理想散熱基板材料，有望加快LED車燈照明升級換代的進程。

參考文獻：

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