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撰稿人：Mentor公司Boris Marovic 引言 本文講述了能夠幫助汽車照明行業實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 進行了討論。由于溫度過熱可能破壞 LED 系統的穩定性，我們還討論了車前燈和車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技術來設計更高品質的產品并以更快、更高效、更經濟的方式開發汽車照明系統。 行業趨勢 根據麥肯錫公司 (McKinsey & Company) 對全球照明市場的見解，汽車照明市場目前規模約為180億美元（130億歐元），占整個照明市場的大約20%，預計到2020年將增至250億美元（180億歐元）。隨著 LED（發光二極管）的發展，汽車應用中的 LED 預計在未來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都將使用 LED。2010年至2020年，LED的價格將減至當前價格的十分之一，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熱管理系統。擁有了這些技能后，照明設計師就能優化其設計，確保 LED 使用壽命長久，發射波長移位最小，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 在汽車行業的全面普及。 在汽車照明領域使用 LED 的挑戰 隨著光源設計從白熾燈向 LED 轉變，傳統的熱管理概念已經過時，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，不會面臨光源散熱難題。LED 則大多通過傳導傳遞熱損耗（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。汽車行業的 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，歐洲經濟委員會 (ECE) 規定從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（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 是不現實的。當車頭燈或車尾燈多個 LED 出現故障時，只能通過更換整個車燈來解決。因此，不僅僅是 LED，整個燈具設計都必須具有很高的可靠性和質量，因為更換整個車頭燈很昂貴；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。 分析熱和輻射行為的特性可確保高可靠性 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；制造商也不經常提供對測量數據誤差的保證或說明。因此，您將需要在為您的汽車安裝應用之前，測試和測量其特性，以確保部件和材料的可靠性。 熱特性 LED 的熱阻 (Rth) 會對產品的壽命、效率和多個域的運行以及電、熱和光學性能造成影響（圖1）。LED 套件和其它所有半導體設備套件一樣，可通過熱阻進行很好的特性分析，以實現穩定運行。熱阻 (Rth) 數值告訴我們單位熱源應用于設備會導致溫度上升多少度。 
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的電壓。LED 從一個穩定的狀態打開或關閉，過一段時間之后，又到達另一個穩定的狀態（熱/冷，反之亦然）。在這個過程中不斷進行瞬態測量，提供很小測量電流下的熱瞬態響應曲線。在測量出的溫度差異和功率差異（用于開關部件）（圖2）的幫助下，便可得出結構函數（圖3）。
圖2：Mentor Graphics的T3Ster 熱瞬態測試儀可記錄短短1微秒（1 x 10-6秒）之后 LED 的瞬態響應，溫度分辨率為0.01°C。
圖3：通過瞬態響應，我們可自動確定 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，電子器件工程聯合委員會（Joint Electron Devices Engineering Council，簡稱 JEDEC）發布了利用雙熱界面方法進行結殼熱阻 (RthJC) 測量的標準 JESD51-14 [1]。該標準要求進行兩次測量：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體元件。這種情況對功率發光二極管也有效。 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說非常重要。結構函數不僅能夠幫助確定熱阻，還能用來比較不同的發光二級管、焊料/粘結劑質量、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與正常或理想裝配的比較而看出來。 輻射分析 熱分析對于了解發光二級管的缺陷至關重要，可用來獲得熱阻信息以及測試合適的粘結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，為了正確進行熱分析，發光二級管產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照明組件的熱阻（單位：開爾文/瓦）；ΔT 代表兩種定態（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 代表驅動組件的電力功率；Popt 代表 SSL 組件發出的光功率。 不考慮光功率，發光二級管的結構函數將隨著不同的接面溫度和驅動電流而改變，因為光通量取決于這些參數，如圖1所示。
圖4：熱瞬態測試原理圖，在進行 LED 測量時考慮了光功率。 通過明導的 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、發光效率、暗視覺通量和色坐標對電流和溫度的依賴性，并將其顯示為 LED 的驅動電流、接面溫度 (Tj) 或冷板溫度的一個函數（見圖5）。
圖5：光度與輻射測量示例 根據具體電流分析 LED 的熱量和亮度 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，還能讓你根據使用的電流判斷出 LED 產生的實際熱量。根據這些信息，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，并運用到一個發熱率，但不會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區間范圍，具體值取決于具體電流產生的 LED 溫度（見圖1）。 圖6顯示，通過這個 LED 簡化模式，你可以定義電流，然后運用 T3Ster 數據或手動輸入計算得出的數據（通常來說沒有 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”和發熱率。LED 的溫度會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。
圖6：通過 FloEFD LED 精簡模型，你可以獲得 LED 在某個特定接面溫度和電流的光通量或“熱流明”。 早期模擬加快產品開發 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造性，通過個人風格和令人印象深刻的設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照明系統熱設計方面的一些老舊做法已經不再湊效，仿真在設計過程中變得越發重要。 隨著設計與性能之間的依存性越來越高，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專家則因為快速的設計周期和協調復雜的幾何結構而感到壓力過大。因此真正自動化的網格生成（無需人工干涉便能生成高質量的網格）顯得越發重要。這是與設計同步的計算流體力學解決方案的先決條件，使得設計人員能夠在設計過程中進行早期仿真，而且無需深入的數字和計算流體力學知識，從而加快了產品開發進程。 與設計同步的計算流體力學確保對汽車 LED 系統進行成功的熱管理 FloEFD 支持的同步計算流體力學方法讓你能夠對每個設計步驟進行準確的熱仿真，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系統的典型計算流體力學不同，同步計算流體力學完全嵌入在 MCAD 環境中，因此無需通過 STEP 或 IGES 等中性的文件格式轉換模型。這些轉換通常會丟失原始 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。 憑借自動網格生成和其它技術，你只需對產品及其行為有必要的了解便能使用計算流體力學技術。傳統情況下耗時最長的步驟——仿真和網格生成——已最大程度地縮短。這項技術的應用延伸至汽車行業的很多領域以及其它行業。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仿真來自他們 MCAD 系統內部的不同汽車應用。
圖7：奧迪 A3 車前燈的 FloEFD 模擬圖像，展示了為車前燈系統冷卻和散熱提供新鮮空氣的速度等值面 結論 當使用Mentor Graphics的 T3Ster 和 TERALED 進行全面的 LED 熱阻瞬態測試（包括光度和輻射測量）時，你會得出高度準確和可重復的真正熱阻測量結果，并且在產品設計期間將這些轉換成用于計算流體力學仿真的熱阻-熱容模型。 進行高度加速的壽命測試還能幫助你選擇在產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 的整個生命周期提供適宜的環境，并且最大程度地降低對質量和性能的影響。FloEFD 同步計算流體力學方法還通過在設計初期進行仿真加速了產品設計周期，縮短了產品面市時間并削減了開發與樣機設計成本。 參考 1. JESD51-14 “Transient Dual Interface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction to Case of Semiconductor Devices with Heat Flow through a Single Path” |
