明導(dǎo)電子專(zhuān)家分享：汽車(chē)電子中的LED高效熱管理

　　作者：明導(dǎo)電子 （Mentor Graphics Corporation） 機(jī)械分析部門(mén)總經(jīng)理 Erich Buergel博士

　　如今電子產(chǎn)品成本占到整車(chē)成本的30-40%左右，并且這一數(shù)字還在穩(wěn)步上升。這些電子產(chǎn)品不僅包括功能性元件，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、制動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)控制裝置，也包括了娛樂(lè)和導(dǎo)航部件。近來(lái)LED技術(shù)的使用出現(xiàn)了爆炸式增長(zhǎng)，也正好說(shuō)明了這一點(diǎn)。例如，在歐洲所有新車(chē)必須配備日間行車(chē)燈，而LED則因?yàn)楣牡秃托矢叩奶攸c(diǎn)成為了首選照明技術(shù)。

　　高效的熱管理非常重要，這是因?yàn)長(zhǎng)ED會(huì)不斷散發(fā)出熱量，并且LED的燈罩越來(lái)越小。隨著亮度和功率的不斷提高，被緊密排列在一起的LED（如汽車(chē)頭尾燈）卻無(wú)法用風(fēng)扇等來(lái)降溫。因此可靠性和性能勢(shì)必會(huì)受到影響。當(dāng)LED超過(guò)臨界結(jié)溫時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題。首先，LED會(huì)變暗，顏色也會(huì)改變。其次，如果溫度持續(xù)過(guò)高，它們的使用壽命就會(huì)縮短，繼而過(guò)早報(bào)廢。汽車(chē)LED的平均壽命有好幾千個(gè)小時(shí)，這些問(wèn)題會(huì)為制造商帶來(lái)額外的保修成本。

　　良好的熱設(shè)計(jì)對(duì)高效的熱管理至為關(guān)鍵。LED元件是設(shè)計(jì)過(guò)程中的第一個(gè)環(huán)節(jié)（見(jiàn)圖1）。元件設(shè)計(jì)師利用熱分析軟件和測(cè)量硬件對(duì)元件的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以確保結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的熱量能輕易地通過(guò)LED各層散發(fā)出來(lái)。子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師會(huì)將LED排成陣列，并加入散熱器和其他冷卻裝置，然后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行再次分析。他們可能會(huì)調(diào)整LED之間的間隔距離或添加額外的冷卻裝置，以確保LED不會(huì)超過(guò)臨界溫度。最后一步通常是由機(jī)械設(shè)計(jì)師利用機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（MCAD）系統(tǒng)來(lái)完成，設(shè)計(jì)師會(huì)將排列起來(lái)的LED燈放進(jìn)燈罩（如汽車(chē)前燈）里，同時(shí)利用先進(jìn)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件進(jìn)行熱分析。

　　圖1：在LED設(shè)計(jì)的各環(huán)節(jié)進(jìn)行熱分析對(duì)良好的熱管理是必要的。

　　如果解決了元件層面的熱管理問(wèn)題并不意味著也解決了子系統(tǒng)的這個(gè)問(wèn)題。而解決了子系統(tǒng)的熱管理問(wèn)題，也不代表系統(tǒng)的熱管理問(wèn)題就解決了。只有把所有熱問(wèn)題都解決了，才能確保這個(gè)設(shè)計(jì)具備良好的熱管理。

　　設(shè)計(jì)的空白

　　出色的CFD熱分析軟件已問(wèn)世多年。FloTHERM等產(chǎn)品快速精確，其易用性對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)十分理想。但這種分析的質(zhì)量到底如何取決于提供給軟件的組件熱模式。不管分析質(zhì)量有多好，不精確的模式只會(huì)誤導(dǎo)你。

　　供應(yīng)商提供的典型LED數(shù)據(jù)表只會(huì)出現(xiàn)大量功率損耗（如最大正向電流和電壓）以及結(jié)點(diǎn)和某些參考之間的單個(gè)熱阻，如焊接點(diǎn)。并沒(méi)有熱量如何通過(guò)封裝各層并散發(fā)出去的信息。也沒(méi)有能夠用于界定各層熱阻和電容的熱路徑/障礙描述。

　　因此，熱專(zhuān)家通常會(huì)估測(cè)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并創(chuàng)建一個(gè)熱模型來(lái)說(shuō)明各層和各構(gòu)造的熱阻和電容情況。但是熱專(zhuān)家只要幾個(gè)百分點(diǎn)的偏差就會(huì)導(dǎo)致分析不精確。使用這種方法時(shí)并沒(méi)有驗(yàn)證或判斷熱模式精確性的方法。

　　因此優(yōu)秀熱設(shè)計(jì)的過(guò)程中還存在空白。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的所有環(huán)節(jié)（元件、子系統(tǒng)和整個(gè)系統(tǒng)）中，熱分析絕對(duì)不能少。但只有在元件熱模型良好的情況下，熱分析結(jié)果才可以算是好的。在不了解組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，我們無(wú)法界定或驗(yàn)證模型的精確性，并且通常元件供應(yīng)商也不會(huì)泄露這方面的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

　　填補(bǔ)空白

　　解決這個(gè)問(wèn)題的方法就是如圖2所示，通過(guò)界定和驗(yàn)證組件簡(jiǎn)化熱模式，在硬件測(cè)試/測(cè)量和熱分析之間建立一個(gè)連接?，F(xiàn)有的硬件能夠測(cè)量一個(gè)元件的熱特性。例如，明導(dǎo)電子的 T3Ster硬件貼在LED等電子元件上就能測(cè)量瞬態(tài)結(jié)溫，不論元件是否通電，都可精確到0.01攝氏度。在熱量從結(jié)點(diǎn)散發(fā)到周邊環(huán)境的過(guò)程中，瞬態(tài)溫度特征圖能夠在一分鐘內(nèi)采集到一萬(wàn)多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，用于描述元件層的熱阻和電容情況。

　　有了這些數(shù)據(jù)，軟件能夠自動(dòng)生成LED簡(jiǎn)化熱模式。工程師們從而現(xiàn)在能擁有一個(gè)精確有效的模式。

　　圖2：硬件測(cè)試和測(cè)量可用于創(chuàng)建或驗(yàn)證LED簡(jiǎn)化熱模式。

　　由于能夠創(chuàng)建精確有效的元件熱模型，熱管理設(shè)計(jì)過(guò)程中的空白得到了有效的填補(bǔ)。這給電子行業(yè)帶來(lái)了很多益處。LED供應(yīng)商在設(shè)計(jì)過(guò)程中能利用這種技術(shù)來(lái)測(cè)試熱特性，并生成經(jīng)過(guò)熱優(yōu)化的設(shè)計(jì)，之后再為客戶測(cè)試和創(chuàng)建一個(gè)熱模式。子系統(tǒng)和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商可以用它來(lái)驗(yàn)證從供應(yīng)商那里獲得的模型或者在供應(yīng)商沒(méi)有提供模型的情況下自己創(chuàng)建模型。原始設(shè)備制造商受到了臨界可靠性電子產(chǎn)品的影響，因?yàn)橘|(zhì)保和回收問(wèn)題會(huì)直接影響他們的盈虧。他們需要百分百信任他們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。