本文講述了能夠幫助汽車(chē)照明行業(yè)實(shí)現最佳熱管理的方法。我們就選擇和測量 LED 熱特性以及為特定應用選擇最合適的 LED 進(jìn)行了討論。由于溫度過(guò)熱可能破壞 LED 系統的穩定性，我們還討論了車(chē)前燈和車(chē)尾燈等形狀復雜照明系統的熱模擬，以及使用同步計算流體力學(xué)技術(shù)來(lái)設計更高品質(zhì)的產(chǎn)品并以更快、更高效、更經(jīng)濟的方式開(kāi)發(fā)汽車(chē)照明系統。

 

根據麥肯錫公司 （McKinsey & Company） 對全球照明市場(chǎng)的見(jiàn)解，汽車(chē)照明市場(chǎng)目前規模約為180億美元（130億歐元），占整個(gè)照明市場(chǎng)的大約20%，預計到2020年將增至250億美元（180億歐元）。隨著(zhù)LED（發(fā)光二極管）的發(fā)展，汽車(chē)應用中的 LED 預計在未來(lái)10年會(huì )顯著(zhù)增長(cháng)?！禠EDs Magazine》2012年11月刊登的一篇文章稱(chēng)，戴姆勒即將面市的 S 系列梅賽德斯的所有照明系統都將使用 LED。2010年至2020年，LED的價(jià)格將減至當前價(jià)格的十分之一，因此相比傳統光源，LED 將更具競爭力與傳統汽車(chē)照明光源不同的是，LED 對溫度更加敏感，不僅僅需要對設計中使用 LED的結構和特性有足夠了解，還需要了解從散熱器到冷卻流體的整個(gè)熱管理系統。擁有了這些技能后，照明設計師就能優(yōu)化其設計，確保 LED 使用壽命長(cháng)久，發(fā)射波長(cháng)移位最小，或者光輸出損失最小。他們還能更有效地將 LED 作為一種光源來(lái)使用，并推動(dòng) LED 在汽車(chē)行業(yè)的全面普及。

 

 

隨著(zhù)光源設計從白熾燈向 LED 轉變，傳統的熱管理概念已經(jīng)過(guò)時(shí)，需要養成新的思考方式。大多數白熾燈的電能中有約83%形成熱輻射，約12%形成熱損耗，不會(huì )面臨光源散熱難題。LED 則大多通過(guò)傳導傳遞熱損耗（約60-85%），并對熱管理十分敏感。100瓦白熾燈的電光轉換效率僅為約5%，而 LED 的轉換效率能達到約15-40%，并且還在不斷提高。

 

LED 的主要熱挑戰是維持高色度穩定性和預期壽命。汽車(chē)行業(yè)的 LED 需要具備終生耐受性。LED 不光更加高效，其更高的能見(jiàn)度也頗具價(jià)值，因此更加安全，歐洲經(jīng)濟委員會(huì ) （ECE） 規定從2011年起所有新款汽車(chē)都必須安裝日間行車(chē)燈 （DRL）。因為車(chē)頭燈和車(chē)尾燈等外部燈幾乎是完全密封的系統（除極小的氣流入口、出口以及普通白熾燈的小開(kāi)口之外），因一個(gè)瑕疵而更換 LED 是不現實(shí)的。當車(chē)頭燈或車(chē)尾燈多個(gè) LED 出現故障時(shí)，只能通過(guò)更換整個(gè)車(chē)燈來(lái)解決。因此，不僅僅是 LED，整個(gè)燈具設計都必須具有很高的可靠性和質(zhì)量，因為更換整個(gè)車(chē)頭燈很昂貴；如果還在保修期內，那么系統的原始設備制造商 （OEM） 和供應商將要花費很大的代價(jià)。原始供應商數據表并不總是提供從流體或結構分析中得出精確可靠的模擬結果所需的數據；制造商也不經(jīng)常提供對測量數據誤差的保證或說(shuō)明。因此，您將需要在為您的汽車(chē)安裝應用之前，測試和測量其特性，以確保部件和材料的可靠性。

 

 

LED 的熱阻 （Rth） 會(huì )對產(chǎn)品的壽命、效率和多個(gè)域的運行以及電、熱和光學(xué)性能造成影響（圖1）。LED 套件和其它所有半導體設備套件一樣，可通過(guò)熱阻進(jìn)行很好的特性分析，以實(shí)現穩定運行。熱阻 （Rth） 數值告訴我們單位熱源應用于設備會(huì )導致溫度上升多少度。

圖1：熱問(wèn)題影響著(zhù) LED 套件的方方面面。

 

最基本的方法是測量部件與溫度相關(guān)的電壓。LED 從一個(gè)穩定的狀態(tài)打開(kāi)或關(guān)閉，過(guò)一段時(shí)間之后，又到達另一個(gè)穩定的狀態(tài)（熱/冷，反之亦然）。在這個(gè)過(guò)程中不斷進(jìn)行瞬態(tài)測量，提供很小測量電流下的熱瞬態(tài)響應曲線(xiàn)。在測量出的溫度差異和功率差異（用于開(kāi)關(guān)部件）（圖2）的幫助下，便可得出結構函數（圖3）。

圖2：Mentor Graphics的T3Ster 熱瞬態(tài)測試儀可記錄短短1微秒（1 x 10-6秒）之后 LED 的瞬態(tài)響應，溫度分辨率為0.01°C。

圖3：通過(guò)瞬態(tài)響應，我們可自動(dòng)確定 LED 套件樣本的結構函數。這一 R/C 模式可直接用于熱模擬軟件。

 

2010年11月，電子器件工程聯(lián)合委員會(huì )（Joint Electron Devices Engineering Council，簡(jiǎn)稱(chēng) JEDEC）發(fā)布了利用雙熱界面方法進(jìn)行結殼熱阻 （RthJC） 測量的標準 JESD51-14 ［1］。該標準要求進(jìn)行兩次測量：即在沒(méi)有額外層和有額外層的情況下分別測量，偏差位置能夠反應一個(gè)元件的熱阻。這個(gè)方法適用于帶有裸露冷卻表面和一維熱流路徑的功率半導體元件。這種情況對功率發(fā)光二極管也有效。

 

圖3所示的結構函數讓我們得以確定熱阻結殼 （RthJC），這對于精確的熱仿真來(lái)說(shuō)非常重要。結構函數不僅能夠幫助確定熱阻，還能用來(lái)比較不同的發(fā)光二級管、焊料/粘結劑質(zhì)量、瑕疵及瑕疵位置、不同PCB/MCPCB 類(lèi)型的冷卻效率及其溫度依存性。晶粒與周?chē)h(huán)境之間的一切都可以在結構函數中看到，因瑕疵和老化而導致的變化也可以通過(guò)與正?；蚶硐胙b配的比較而看出來(lái)。

 

熱分析對于了解發(fā)光二級管的缺陷至關(guān)重要，可用來(lái)獲得熱阻信息以及測試合適的粘結劑或熱界面材料來(lái)確保裝配后的最佳熱管理能力。但用來(lái)給發(fā)光二級管供電的總電力被轉化為熱和光。因此，如圖4所示，為了正確進(jìn)行熱分析，發(fā)光二級管產(chǎn)生的光功率應從供給電力中減去，從而得出真正的內部熱阻 Rth-real （完全基于發(fā)光二級管的熱功率）。這里的 Rth 和 Rth-real 分別是通用半導體和固態(tài)照明組件的熱阻（單位：開(kāi)爾文/瓦）；ΔT 代表兩種定態(tài)（熱和冷）之間的溫度差（單位：開(kāi)爾文 ［K］）；Pheat 和 ΔP 分別代表用于加熱組件的實(shí)際功率和驅動(dòng)組件的功率與測量它的小功率之間的功率差（單位：瓦 ［W］）；Pel 代表驅動(dòng)組件的電力功率；Popt 代表 SSL 組件發(fā)出的光功率。

 

不考慮光功率，發(fā)光二級管的結構函數將隨著(zhù)不同的接面溫度和驅動(dòng)電流而改變，因為光通量取決于這些參數，如圖1所示。

圖4：熱瞬態(tài)測試原理圖，在進(jìn)行 LED 測量時(shí)考慮了光功率。

 

通過(guò)明導的 TERALED/T3Ster 測試硬件，也可以從測量中導出參數，如總光通量、總輻射通量、X、Y 和 Z 三色值，同時(shí)還可以完成一份頻譜分析。通過(guò)一種單一的綜合測量方法，可能會(huì )測出二極管特性、光功率、輻射效率、光通量、發(fā)光效率、暗視覺(jué)通量和色坐標對電流和溫度的依賴(lài)性，并將其顯示為 LED 的驅動(dòng)電流、接面溫度 （Tj） 或冷板溫度的一個(gè)函數（見(jiàn)圖5）。

 

圖5：光度與輻射測量示例

 

 

Mentor Graphics的 FloEFD 熱仿真工具采用了一個(gè)獨一無(wú)二的 LED 簡(jiǎn)化模型，具有后處理功能，不僅能讓你看到 LED 變得有多熱，還能讓你根據使用的電流判斷出 LED 產(chǎn)生的實(shí)際熱量。根據這些信息，你可以看出 LED 的亮度如何。如果沒(méi)有這種功能，工程師會(huì )定義一個(gè) LED 熱阻模型，并運用到一個(gè)發(fā)熱率，但不會(huì )準確知道具體數字有多大，這是因為電壓和光功率存在一個(gè)區間范圍，具體值取決于具體電流產(chǎn)生的 LED 溫度（見(jiàn)圖1）。通過(guò)這個(gè) LED 簡(jiǎn)化模式，你可以定義電流，然后運用 T3Ster 數據或手動(dòng)輸入計算得出的數據（通常來(lái)說(shuō)沒(méi)有 T3Ster 數據那樣準確），你可以從 T3Ster 或數據表中獲得 LED 熱特性帶來(lái)的溫度值，你還可以獲得 LED 在這個(gè)接面溫度和電流下的光通量或“熱流明”和發(fā)熱率。LED 的溫度會(huì )依據不同的電流而有所變化。這些不同的電流和溫度變化又造成了光通量的不同。

 

LED 的熱設計和照明系統都需要做出革命性的改變。LED 使設計師能夠更具創(chuàng )造性，通過(guò)個(gè)人風(fēng)格和令人印象深刻的設計讓品牌或車(chē)型脫穎而出。但隨著(zhù)對性能的影響越來(lái)越大，加上幾乎所有的 LED 都有反射器和散熱器，因此幾何學(xué)就變得更加復雜。熱管理策略不斷增加的復雜性和變化意味著(zhù)照明系統熱設計方面的一些老舊做法已經(jīng)不再湊效，仿真在設計過(guò)程中變得越發(fā)重要。隨著(zhù)設計與性能之間的依存性越來(lái)越高，設計人員需要快速做出各種設計調整，而負責熱管理分析的計算流體力學(xué)專(zhuān)家則因為快速的設計周期和協(xié)調復雜的幾何結構而感到壓力過(guò)大。因此真正自動(dòng)化的網(wǎng)格生成（無(wú)需人工干涉便能生成高質(zhì)量的網(wǎng)格）顯得越發(fā)重要。這是與設計同步的計算流體力學(xué)解決方案的先決條件，使得設計人員能夠在設計過(guò)程中進(jìn)行早期仿真，而且無(wú)需深入的數字和計算流體力學(xué)知識，從而加快了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

 

與設計同步的計算流體力學(xué)確保對汽車(chē) LED 系統進(jìn)行成功的熱管理FloEFD 支持的同步計算流體力學(xué)方法讓你能夠對每個(gè)設計步驟進(jìn)行準確的熱仿真，從而縮短設計周期。與依靠從 MCAD 系統輸出 CAD 模型然后輸入計算流體力學(xué)系統的典型計算流體力學(xué)不同，同步計算流體力學(xué)完全嵌入在 MCAD 環(huán)境中，因此無(wú)需通過(guò) STEP 或 IGES 等中性的文件格式轉換模型。這些轉換通常會(huì )丟失原始 CAD 模型中的參數定義。參數定義的幾何結構有助于包括設計變量分析在內的模擬。

 

憑借自動(dòng)網(wǎng)格生成和其它技術(shù)，你只需對產(chǎn)品及其行為有必要的了解便能使用計算流體力學(xué)技術(shù)。傳統情況下耗時(shí)最長(cháng)的步驟——仿真和網(wǎng)格生成——已最大程度地縮短。這項技術(shù)的應用延伸至汽車(chē)行業(yè)的很多領(lǐng)域以及其它行業(yè)。圖7顯示了原始設備制造商工程師如何成功使用這項技術(shù)仿真來(lái)自他們 MCAD 系統內部的不同汽車(chē)應用。

圖7：奧迪 A3 車(chē)前燈的 FloEFD 模擬圖像，展示了為車(chē)前燈系統冷卻和散熱提供新鮮空氣的速度等值面

 

當使用Mentor Graphics的 T3Ster 和 TERALED 進(jìn)行全面的 LED 熱阻瞬態(tài)測試（包括光度和輻射測量）時(shí)，你會(huì )得出高度準確和可重復的真正熱阻測量結果，并且在產(chǎn)品設計期間將這些轉換成用于計算流體力學(xué)仿真的熱阻-熱容模型。進(jìn)行高度加速的壽命測試還能幫助你選擇在產(chǎn)品使用期內具有高可靠性的最合適的 LED。此外，熱仿真可確保熱管理系統在 LED 的整個(gè)生命周期提供適宜的環(huán)境，并且最大程度地降低對質(zhì)量和性能的影響。FloEFD 同步計算流體力學(xué)方法還通過(guò)在設計初期進(jìn)行仿真加速了產(chǎn)品設計周期，縮短了產(chǎn)品面市時(shí)間并削減了開(kāi)發(fā)與樣機設計成本。