思维风暴：看顶尖LED前照灯设计

　　市光工业并未公布结温接近室温时的发光效率。一般而言，实际使用环境下的发光效率通常要比结温接近室温时低数十个百分点。

从基础设计起便实施热流体解析模拟

要想降低LED前照灯的耗电量，只通过第一回中提到的配光控制来减少白色LED的光损失，并在少数几个地方获得所期望的配光特性是不够的。此外还必须能够在高效状态下使用白色LED。而其中的关键就在于如何使白色LED产生的热量释放出去的散热设计。其实，输入白色LED的功率大都变成了热能。如果这些热量使白色LED的温度上升，则发光效率就会下降，导致发热量增加。这样一来，就会陷入发光效率进一步下降、发热量变得更大的恶性循环。

图7：前照灯热设计的定位

图8：LED前照灯的建模

　　此次市光工业在LED前照灯的散热设计中使用了热流体解析模拟技术。在前照灯散热设计中使用热流体解析模拟的情况并不少见，不过，此次是在更上游的设计过程，也就是树脂等材料的耐热性、对流、部件布局及散热片的设计等基础设计中使用了该模拟技术，由此高效推进了散热设计。

　　前照灯的热设计经过基础设计、详细设计、试制试验以及设计变更这四大过程后应用于产品（图7）。据市光工业负责散热设计的菊池和重（开发本部核心工程部模拟课资深专家、解析技术高级工程师）介绍，在基础设计中，虽然模拟用模型的建模难度并不高，所花工时并不多，但通过计算获得的信息却占到了整个设计的60％之多（图8）。此次LED前照灯通过在这一基础设计中使用模拟技术，获得了显著效果。

由于能够分离光和热，可应用于基础设计中

　　那么，此次为何能够在基础设计中使用模拟呢？其答案就在于LED前照灯中的热量的流动特点。从白色LED为起点的散热路径来看，其流动途径为：

作为发热源的LED芯片
↓
配备LED芯片封装的安装基板
↓
使安装基板的热量向整个封装底面扩散的热扩散器
↓
散热装置（散热片等）的连接部
↓
散热装置（散热片等）
↓
外部空气

　　可以说，从白色LED到外部空气的整个路径均为串联状态（图9）。而卤灯及HID灯等已有光源的散热路径颇为复杂。原因在于灯源本身同时向外部空气放射光与热。也就是说无法以简单的串联状态体现出来。因此，其基础设计中的散热模型较为复杂，只能在试制试验及设计变更的过程中使用模拟。

图9：前照灯用白色LED和散热路径

LED的光线是从表面向外部空气放射，而热量是从背面向前照灯的外壳放射，光与热处于分离状态。由于LED表面的热放射可忽略不计，因此热量的流动途径便如上所述。所以，基础设计中的建模变得简单，能够实施热流体解析模拟。凭借模拟效果，此次LED前照灯的热解析实现了±2℃的计算精度，只用两天时间就完成了散热设计。

　　利用模拟对散热片等部分进行基础设计并掌握大致形状及基本性能后，市光工业试制了1次产品。然后经过最佳形状和细微部分的设计，进入了对最终形状下的散热性能进行确认的量产产品设计。由于计算精度较高，因此还有可能在下次及以后不试制产品便使用于量产。此次是市光工业首次量产LED前照灯，因此还是试制了实际产品。另外，散热片及配光控制用反光镜等基础设计中的热模拟耗时约2个半小时，而白色LED到散热片只需1个半小时。此次将散热片等部分划分为约70万个网格进行了计算。

降低散热片和连接部的热阻

　　据市光工业介绍，此次进行LED前照灯的散热设计时，还探讨了散热路径中的散热片连接部及散热片本身的设计。其原因在于，LED产品是在LED芯片乃至热扩散器都收放在白色LED封装内的状态下从LED厂商采购的，前照灯厂商无法变更。

　　在散热片连接部及散热片方面，要解决的问题是如何降低连接部和散热片本身的热阻。要想降低连接部的热阻，尤为重要的是：（1）使用线夹、弹簧及螺钉等来保持将白色LED按压在散热片上的压力及均匀的接触面积；（2）考虑采用散热膏及导热片，并对其伴随时间的劣化以及面积、厚度进行管理。在散热片方面，需要在不组合冷却扇、且不影响前照灯设计的大小及形状上下工夫。此次进行热设计时，设计前提是向每个白色LED输入的10W功率中会有9W变成热量。由于所配白色LED的最大额定值为130℃（白色LED的表面温度），因此是按照任何用途都不会达到130℃进行的设计。

　　未来力争只使用1个白色LED

　　市光工业提出了新一代LED前照灯的目标，这便是实现远光灯和近光灯的光源一体化，每个前照灯只使用1个LED等。目的是降低耗电量并通过减少部件数量来推进低成本化、小型化及轻量化。目前该公司正在朝着这一目标推进开发。此次推出的LED前照灯在远光灯时使用卤灯，在近光灯时使用了2个白色LED。

　　如何才能将这些光源减为1个呢？简单地说，可以考虑将白色LED安装的LED芯片从目前的4个增加到8个，或者将输入白色LED的电流增加到2倍。但这些都不能算上策。增加LED芯片数量，成本就会上升。而增加输入电流的话，LED芯片上的热密度就会上升，进一步使得LED芯片结温上升，从而导致发光效率下降。而且这样做，白色LED上也容易蓄热。

　　不过，白色LED技术目前也在逐年进步，市光工业预计2～3年后便可获得亮度达到目前2倍以上、超过1000lm的白色LED。即使结温升高，今后也会开发出发光效率高的白色LED，并且通过降低热阻、提高散热性，发光效率还会比目前进一步提高。开发出此次使用的白色LED的飞利浦流明（Philips Lumileds Lighting）在2010年11月举行的“Green Device 2010”上发表主题演讲时，就曾宣布正在开发亮度可达到1000lm以上的白色LED。

　　亮度超过1000lm的话，便能够以1个白色LED实现LED前照灯。市光工业正在研发仅使用1个白色LED的LED前照灯，虽然尚未公布相关细节，但表示“在研究层面上很快会制作出来”（市光工业开发本部研究开发部P2P3第一项目组负责人村桥克广）。该公司并未明确提出使用1个白色LED的LED前照灯何时达到实用水平，但技术上来看，“5年后在市面普及也不足为奇”（村桥）。

　　在市光工业2005年着手共同开发此次的LED前照灯时，以2个白色LED来获取足够亮度还“是非常困难的事”（村桥）。不过，鉴于白色LED在技术上的不断进步，该公司仍对使用2个白色LED的设计展开了攻关。目前该公司正基于白色LED技术进步的设想，展开仅使用1个白色LED的设计。

1个白色LED是新的起点

　　市光工业表示，LED前照灯配备1个白色LED并不是终点。虽然白色LED通常要采用多个LED芯片来获得足够的亮度，但是该公司还打算随着LED芯片的性能提高，为进一步降低成本而削减LED芯片的数量。这一目标得以实现的话，便有望使白色LED实现小型化。而白色LED变得既小又便宜的话，就有可能使用多个白色LED来推进可变配光系统的进步。

　　市光工业介绍说，该公司还考虑将半导体激光器作为继LED之后的新一代光源。半导体激光器通过连接光纤，可使光的发射部和发热部（