熱仿真和熱特性分析幫助優(yōu)化汽車LED應(yīng)用
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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)濟的方式開發(fā)汽車照明系統(tǒng)。
行業(yè)趨勢
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?！禠EDs 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。
在汽車照明領(lǐng)域使用 LED 的挑戰(zhàn)
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。
分析熱和輻射行為的特性可確保高可靠性
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。
熱特性
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。
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