明導(dǎo)電子專家分享:汽車電子中的LED高效熱管理
作者:明導(dǎo)電子 (Mentor Graphics CorporaTIon) 機(jī)械分析部門總經(jīng)理 Erich Buergel博士
如今電子產(chǎn)品成本占到整車成本的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,也包括了娛樂和導(dǎo)航部件。近來LED技術(shù)的使用出現(xiàn)了爆炸式增長,也正好說明了這一點(diǎn)。例如,在歐洲所有新車必須配備日間行車燈,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ED會(huì)不斷散發(fā)出熱量,并且LED的燈罩越來越小。隨著亮度和功率的不斷提高,被緊密排列在一起的LED(如汽車頭尾燈)卻無法用風(fēng)扇等來降溫。因此可靠性和性能勢必會(huì)受到影響。當(dāng)LED超過臨界結(jié)溫時(shí),就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問題。首先,LED會(huì)變暗,顏色也會(huì)改變。其次,如果溫度持續(xù)過高,它們的使用壽命就會(huì)縮短,繼而過早報(bào)廢。汽車LED的平均壽命有好幾千個(gè)小時(shí),這些問題會(huì)為制造商帶來額外的保修成本。
良好的熱設(shè)計(jì)對高效的熱管理至為關(guān)鍵。LED元件是設(shè)計(jì)過程中的第一個(gè)環(huán)節(jié)(見圖1)。元件設(shè)計(jì)師利用熱分析軟件和測量硬件對元件的材料和結(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LED各層散發(fā)出來。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)來完成,設(shè)計(jì)師會(huì)將排列起來的LED燈放進(jìn)燈罩(如汽車前燈)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)行熱分析對良好的熱管理是必要的。
如果解決了元件層面的熱管理問題并不意味著也解決了子系統(tǒng)的這個(gè)問題。而解決了子系統(tǒng)的熱管理問題,也不代表系統(tǒng)的熱管理問題就解決了。只有把所有熱問題都解決了,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熱分析軟件已問世多年。FloTHERM等產(chǎn)品快速精確,其易用性對設(shè)計(jì)師來說十分理想。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)。并沒有熱量如何通過封裝各層并散發(fā)出去的信息。也沒有能夠用于界定各層熱阻和電容的熱路徑/障礙描述。
因此,熱專家通常會(huì)估測設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu),并創(chuàng)建一個(gè)熱模型來說明各層和各構(gòu)造的熱阻和電容情況。但是熱專家只要幾個(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)的過程中還存在空白。在產(chǎn)品開發(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)問題的方法就是如圖2所示,通過界定和驗(yàn)證組件簡化熱模式,在硬件測試/測量和熱分析之間建立一個(gè)連接。現(xiàn)有的硬件能夠測量一個(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)境的過程中,瞬態(tài)溫度特征圖能夠在一分鐘內(nèi)采集到一萬多個(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:硬件測試和測量可用于創(chuàng)建或驗(yàn)證LED簡化熱模式。
由于能夠創(chuàng)建精確有效的元件熱模型,熱管理設(shè)計(jì)過程中的空白得到了有效的填補(bǔ)。這給電子行業(yè)帶來了很多益處。LED供應(yīng)商在設(shè)計(jì)過程中能利用這種技術(shù)來測試熱特性,并生成經(jīng)過熱優(yōu)化的設(shè)計(jì),之后再為客戶測試和創(chuàng)建一個(gè)熱模式。子系統(tǒng)和系統(tǒng)開發(fā)商可以用它來驗(yàn)證從供應(yīng)商那里獲得的模型或者在供應(yīng)商沒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)。