最佳熱管理方法助力優化汽車LED照明系統

　　核心提示：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?！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（1x10-6秒）之后LED的瞬態響應，溫度分辨率為0.01℃。

　　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。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?；蚶硐胙b配的比較而看出來。