本文講述了能夠幫助汽車照明行業(yè)實現(xiàn)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(yīng)用選擇最合適的 LED 進(jìn)行了討論。由于溫度過熱可能破壞 LED 系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們還討論了車前燈和車尾燈等形狀復(fù)雜照明系統(tǒng)的熱模擬，以及使用同步計算流體力學(xué)技術(shù)來設(shè)計更高品質(zhì)的產(chǎn)品并以更快、更高效、更經(jīng)濟(jì)的方式開發(fā)汽車照明系統(tǒng)。

 

根據(jù)麥肯錫公司 （McKinsey & Company） 對全球照明市場的見解，汽車照明市場目前規(guī)模約為180億美元（130億歐元），占整個照明市場的大約20%，預(yù)計到2020年將增至250億美元（180億歐元）。隨著LED（發(fā)光二極管）的發(fā)展，汽車應(yīng)用中的 LED 預(yù)計在未來10年會顯著增長。《LEDs Magazine》2012年11月刊登的一篇文章稱，戴姆勒即將面市的 S 系列梅賽德斯的所有照明系統(tǒng)都將使用 LED。2010年至2020年，LED的價格將減至當(dāng)前價格的十分之一，因此相比傳統(tǒng)光源，LED 將更具競爭力與傳統(tǒng)汽車照明光源不同的是，LED 對溫度更加敏感，不僅僅需要對設(shè)計中使用 LED的結(jié)構(gòu)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熱管理系統(tǒng)。擁有了這些技能后，照明設(shè)計師就能優(yōu)化其設(shè)計，確保 LED 使用壽命長久，發(fā)射波長移位最小，或者光輸出損失最小。他們還能更有效地將 LED 作為一種光源來使用，并推動 LED 在汽車行業(yè)的全面普及。

 

 

隨著光源設(shè)計從白熾燈向 LED 轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的熱管理概念已經(jīng)過時，需要養(yǎng)成新的思考方式。大多數(shù)白熾燈的電能中有約83%形成熱輻射，約12%形成熱損耗，不會面臨光源散熱難題。LED 則大多通過傳導(dǎo)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(zhuǎn)換效率僅為約5%，而 LED 的轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到約15-40%，并且還在不斷提高。

 

LED 的主要熱挑戰(zhàn)是維持高色度穩(wěn)定性和預(yù)期壽命。汽車行業(yè)的 LED 需要具備終生耐受性。LED 不光更加高效，其更高的能見度也頗具價值，因此更加安全，歐洲經(jīng)濟(jì)委員會 （ECE） 規(guī)定從2011年起所有新款汽車都必須安裝日間行車燈 （DRL）。因為車頭燈和車尾燈等外部燈幾乎是完全密封的系統(tǒng)（除極小的氣流入口、出口以及普通白熾燈的小開口之外），因一個瑕疵而更換 LED 是不現(xiàn)實的。當(dāng)車頭燈或車尾燈多個 LED 出現(xiàn)故障時，只能通過更換整個車燈來解決。因此，不僅僅是 LED，整個燈具設(shè)計都必須具有很高的可靠性和質(zhì)量，因為更換整個車頭燈很昂貴；如果還在保修期內(nèi)，那么系統(tǒng)的原始設(shè)備制造商 （OEM） 和供應(yīng)商將要花費很大的代價。原始供應(yīng)商數(shù)據(jù)表并不總是提供從流體或結(jié)構(gòu)分析中得出精確可靠的模擬結(jié)果所需的數(shù)據(jù)；制造商也不經(jīng)常提供對測量數(shù)據(jù)誤差的保證或說明。因此，您將需要在為您的汽車安裝應(yīng)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） 會對產(chǎn)品的壽命、效率和多個域的運行以及電、熱和光學(xué)性能造成影響（圖1）。LED 套件和其它所有半導(dǎo)體設(shè)備套件一樣，可通過熱阻進(jìn)行很好的特性分析，以實現(xiàn)穩(wěn)定運行。熱阻 （Rth） 數(shù)值告訴我們單位熱源應(yīng)用于設(shè)備會導(dǎo)致溫度上升多少度。

圖1：熱問題影響著 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 從一個穩(wěn)定的狀態(tài)打開或關(guān)閉，過一段時間之后，又到達(dá)另一個穩(wěn)定的狀態(tài)（熱/冷，反之亦然）。在這個過程中不斷進(jìn)行瞬態(tài)測量，提供很小測量電流下的熱瞬態(tài)響應(yīng)曲線。在測量出的溫度差異和功率差異（用于開關(guān)部件）（圖2）的幫助下，便可得出結(jié)構(gòu)函數(shù)（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(yīng)，溫度分辨率為0.01°C。

圖3：通過瞬態(tài)響應(yīng)，我們可自動確定 LED 套件樣本的結(jié)構(gòu)函數(shù)。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（Joint Electron Devices Engineering Council，簡稱 JEDEC）發(fā)布了利用雙熱界面方法進(jìn)行結(jié)殼熱阻 （RthJC） 測量的標(biāo)準(zhǔn) JESD51-14 ［1］。該標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行兩次測量：即在沒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(yīng)一個元件的熱阻。這個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(dǎo)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(jié)構(gòu)函數(shù)讓我們得以確定熱阻結(jié)殼 （RthJC），這對于精確的熱仿真來說非常重要。結(jié)構(gòu)函數(shù)不僅能夠幫助確定熱阻，還能用來比較不同的發(fā)光二級管、焊料/粘結(jié)劑質(zhì)量、瑕疵及瑕疵位置、不同PCB/MCPCB 類型的冷卻效率及其溫度依存性。晶粒與周圍環(huán)境之間的一切都可以在結(jié)構(gòu)函數(shù)中看到，因瑕疵和老化而導(dǎo)致的變化也可以通過與正常或理想裝配的比較而看出來。

 

熱分析對于了解發(fā)光二級管的缺陷至關(guān)重要，可用來獲得熱阻信息以及測試合適的粘結(jié)劑或熱界面材料來確保裝配后的最佳熱管理能力。但用來給發(fā)光二級管供電的總電力被轉(zhuǎn)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(yīng)從供給電力中減去，從而得出真正的內(nèi)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(dǎo)體和固態(tài)照明組件的熱阻（單位：開爾文/瓦）；ΔT 代表兩種定態(tài)（熱和冷）之間的溫度差（單位：開爾文 ［K］）；Pheat 和 ΔP 分別代表用于加熱組件的實際功率和驅(qū)動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(qū)動組件的電力功率；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(jié)構(gòu)函數(shù)將隨著不同的接面溫度和驅(qū)動電流而改變，因為光通量取決于這些參數(shù)，如圖1所示。

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

 

通過明導(dǎo)的 TERALED/T3Ster 測試硬件，也可以從測量中導(dǎo)出參數(shù)，如總光通量、總輻射通量、X、Y 和 Z 三色值，同時還可以完成一份頻譜分析。通過一種單一的綜合測量方法，可能會測出二極管特性、光功率、輻射效率、光通量、發(fā)光效率、暗視覺通量和色坐標(biāo)對電流和溫度的依賴性，并將其顯示為 LED 的驅(qū)動電流、接面溫度 （Tj） 或冷板溫度的一個函數(shù)（見圖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獨一無二的 LED 簡化模型，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(jù)使用的電流判斷出 LED 產(chǎn)生的實際熱量。根據(jù)這些信息，你可以看出 LED 的亮度如何。如果沒有這種功能，工程師會定義一個 LED 熱阻模型，并運用到一個發(fā)熱率，但不會準(zhǔn)確知道具體數(shù)字有多大，這是因為電壓和光功率存在一個區(qū)間范圍，具體值取決于具體電流產(chǎn)生的 LED 溫度（見圖1）。通過這個 LED 簡化模式，你可以定義電流，然后運用 T3Ster 數(shù)據(jù)或手動輸入計算得出的數(shù)據(jù)（通常來說沒有 T3Ster 數(shù)據(jù)那樣準(zhǔn)確），你可以從 T3Ster 或數(shù)據(jù)表中獲得 LED 熱特性帶來的溫度值，你還可以獲得 LED 在這個接面溫度和電流下的光通量或“熱流明”和發(fā)熱率。LED 的溫度會依據(jù)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(shè)計和照明系統(tǒng)都需要做出革命性的改變。LED 使設(shè)計師能夠更具創(chuàng)造性，通過個人風(fēng)格和令人印象深刻的設(shè)計讓品牌或車型脫穎而出。但隨著對性能的影響越來越大，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(fù)雜。熱管理策略不斷增加的復(fù)雜性和變化意味著照明系統(tǒng)熱設(shè)計方面的一些老舊做法已經(jīng)不再湊效，仿真在設(shè)計過程中變得越發(fā)重要。隨著設(shè)計與性能之間的依存性越來越高，設(shè)計人員需要快速做出各種設(shè)計調(diào)整，而負(fù)責(zé)熱管理分析的計算流體力學(xué)專家則因為快速的設(shè)計周期和協(xié)調(diào)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)而感到壓力過大。因此真正自動化的網(wǎng)格生成（無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(shè)計同步的計算流體力學(xué)解決方案的先決條件，使得設(shè)計人員能夠在設(shè)計過程中進(jìn)行早期仿真，而且無需深入的數(shù)字和計算流體力學(xué)知識，從而加快了產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程。

 

與設(shè)計同步的計算流體力學(xué)確保對汽車 LED 系統(tǒng)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?qū)γ總€設(shè)計步驟進(jìn)行準(zhǔn)確的熱仿真，從而縮短設(shè)計周期。與依靠從 MCAD 系統(tǒng)輸出 CAD 模型然后輸入計算流體力學(xué)系統(tǒng)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，因此無需通過 STEP 或 IGES 等中性的文件格式轉(zhuǎn)換模型。這些轉(zhuǎn)換通常會丟失原始 CAD 模型中的參數(shù)定義。參數(shù)定義的幾何結(jié)構(gòu)有助于包括設(shè)計變量分析在內(nèi)的模擬。

 

憑借自動網(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(tǒng)情況下耗時最長的步驟——仿真和網(wǎng)格生成——已最大程度地縮短。這項技術(shù)的應(yīng)用延伸至汽車行業(yè)的很多領(lǐng)域以及其它行業(yè)。圖7顯示了原始設(shè)備制造商工程師如何成功使用這項技術(shù)仿真來自他們 MCAD 系統(tǒng)內(nèi)部的不同汽車應(yīng)用。

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

 

當(dāng)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，你會得出高度準(zhǔn)確和可重復(fù)的真正熱阻測量結(jié)果，并且在產(chǎn)品設(shè)計期間將這些轉(zhuǎn)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(nèi)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(tǒng)在 LED 的整個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)方法還通過在設(shè)計初期進(jìn)行仿真加速了產(chǎn)品設(shè)計周期，縮短了產(chǎn)品面市時間并削減了開發(fā)與樣機設(shè)計成本。