热仿真和热特性分析帮助优化汽车LED应用

撰稿人：Mentor公司Boris Marovic

引言

本文讲述了能够帮助汽车照明行业实现最佳热管理的方法。我们就选择和测量 LED 热特性以及为特定应用选择最合适的 LED 进行了讨论。由于温度过热可能破坏 LED 系统的稳定性，我们还讨论了车前灯和车尾灯等形状复杂照明系统的热模拟，以及使用同步计算流体力学技术来设计更高品质的产品并以更快、更高效、更经济的方式开发汽车照明系统。

行业趋势

根据麦肯锡公司 (McKinsey & Company) 对全球照明市场的见解，汽车照明市场目前规模约为180亿美元（130亿欧元），占整个照明市场的大约20%，预计到2020年将增至250亿美元（180亿欧元）。随着 LED（发光二极管）的发展，汽车应用中的 LED 预计在未来10年会显著增长。《LEDs Magazine》2012年11月刊登的一篇文章称，戴姆勒即将面市的 S 系列梅赛德斯的所有照明系统都将使用 LED。2010年至2020年，LED的价格将减至当前价格的十分之一，因此相比传统光源，LED 将更具竞争力。

与传统汽车照明光源不同的是，LED 对温度更加敏感，不仅仅需要对设计中使用 LED的结构和特性有足够了解，还需要了解从散热器到冷却流体的整个热管理系统。拥有了这些技能后，照明设计师就能优化其设计，确保 LED 使用寿命长久，发射波长移位最小，或者光输出损失最小。他们还能更有效地将 LED 作为一种光源来使用，并推动 LED 在汽车行业的全面普及。

在汽车照明领域使用 LED 的挑战

随着光源设计从白炽灯向 LED 转变，传统的热管理概念已经过时，需要养成新的思考方式。大多数白炽灯的电能中有约83%形成热辐射，约12%形成热损耗，不会面临光源散热难题。LED 则大多通过传导传递热损耗（约60-85%），并对热管理十分敏感。100瓦白炽灯的电光转换效率仅为约5%，而 LED 的转换效率能达到约15-40%，并且还在不断提高。

LED 的主要热挑战是维持高色度稳定性和预期寿命。汽车行业的 LED 需要具备终生耐受性。LED 不光更加高效，其更高的能见度也颇具价值，因此更加安全，欧洲经济委员会 (ECE) 规定从2011年起所有新款汽车都必须安装日间行车灯 (DRL)。

因为车头灯和车尾灯等外部灯几乎是完全密封的系统（除极小的气流入口、出口以及普通白炽灯的小开口之外），因一个瑕疵而更换 LED 是不现实的。当车头灯或车尾灯多个 LED 出现故障时，只能通过更换整个车灯来解决。因此，不仅仅是 LED，整个灯具设计都必须具有很高的可靠性和质量，因为更换整个车头灯很昂贵；如果还在保修期内，那么系统的原始设备制造商 (OEM) 和供应商将要花费很大的代价。

分析热和辐射行为的特性可确保高可靠性

原始供应商数据表并不总是提供从流体或结构分析中得出精确可靠的模拟结果所需的数据；制造商也不经常提供对测量数据误差的保证或说明。因此，您将需要在为您的汽车安装应用之前，测试和测量其特性，以确保部件和材料的可靠性。

热特性

LED 的热阻 (Rth) 会对产品的寿命、效率和多个域的运行以及电、热和光学性能造成影响（图1）。LED 套件和其它所有半导体设备套件一样，可通过热阻进行很好的特性分析，以实现稳定运行。热阻 (Rth) 数值告诉我们单位热源应用于设备会导致温度上升多少度。


图1：热问题影响着 LED 套件的方方面面。

最基本的方法是测量部件与温度相关的电压。LED 从一个稳定的状态打开或关闭，过一段时间之后，又到达另一个稳定的状态（热/冷，反之亦然）。在这个过程中不断进行瞬态测量，提供很小测量电流下的热瞬态响应曲线。在测量出的温度差异和功率差异（用于开关部件）（图2）的帮助下，便可得出结构函数（图3）。


图2：Mentor Graphics的T3Ster 热瞬态测试仪可记录短短1微秒（1 x 10-6秒）之后 LED 的瞬态响应，温度分辨率为0.01°C。


图3：通过瞬态响应，我们可自动确定 LED 套件样本的结构函数。这一 R/C 模式可直接用于热模拟软件。

2010年11月，电子器件工程联合委员会（Joint Electron Devices Engineering Council，简称 JEDEC）发布了利用双热界面方法进行结壳热阻 (RthJC) 测量的标准 JESD51-14 [1]。该标准要求进行两次测量：即在没有额外层和有额外层的情况下分别测量，偏差位置能够反应一个元件的热阻。这个方法适用于带有裸露冷却表面和一维热流路径的功率半导体元件。这种情况对功率发光二极管也有效。

图3所示的结构函数让我们得以确定热阻结壳 (RthJC)，这对于精确的热仿真来说非常重要。结构函数不仅能够帮助确定热阻，还能用来比较不同的发光二级管、焊料/粘结剂质量、瑕疵及瑕疵位置、不同 PCB/MCPCB 类型的冷却效率及其温度依存性。晶粒与周围环境之间的一切都可以在结构函数中看到，因瑕疵和老化而导致的变化也可以通过与正常或理想装配的比较而看出来。