汽車LED照明應(yīng)用中的熱模擬設(shè)計(jì)方案

發(fā)光二極管(led)在當(dāng)今許多照明技術(shù)領(lǐng)域都被使用和接受。但是如果沒有合適的熱設(shè)計(jì)，LED燈就不可行。6SigmaET的開發(fā)經(jīng)理Chris Aldham解釋了為什么將關(guān)鍵組件保持在有限的溫度范圍內(nèi)是非常關(guān)鍵的，為什么這使得熱模擬對(duì)LED設(shè)備設(shè)計(jì)者很重要，以及如何為這個(gè)任務(wù)選擇合適的熱管理模擬工具。

汽車LED應(yīng)用中的熱模擬

一旦被視為“未來的光源”，LED就會(huì)迅速成為常態(tài)。LED產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的多學(xué)科問題，特別是散熱設(shè)計(jì)對(duì)器件的性能和使用壽命至關(guān)重要。借助正確的熱仿真工具，開發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠更好地提供符合可靠性，外形尺寸和性能目標(biāo)的產(chǎn)品。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

由于將電流直接轉(zhuǎn)換為半導(dǎo)體中的光輻射，因此LED具有高效率 - 比大多數(shù)“傳統(tǒng)”照明技術(shù)更高效。然而，盡管比白熾燈或熒光燈照明效率更高，但LED中的大量電力仍轉(zhuǎn)化為熱量而不是光 - 電流越高，產(chǎn)生的熱量就越多。

這種多余的熱量必須遠(yuǎn)離LED傳導(dǎo)：這是因?yàn)榘雽?dǎo)體材料被限制在最高溫度，并且其特性（例如正向電壓，波長(zhǎng)和壽命）可能隨溫度而變化。

隨著溫度的升高，LED的光輸出可能會(huì)降低10％。同樣，保持所需的光色與溫度有關(guān)。

LED燈的預(yù)期使用壽命 - 通常在25,000至50,000小時(shí)之間 - 也與照明燈具內(nèi)的溫度密切相關(guān)。

最終，只有充分的熱管理才能促進(jìn)LED在運(yùn)行過程中的性能和效率。適當(dāng)?shù)睦鋮s - LED本身和驅(qū)動(dòng)電路中使用的鋁電解電容 - 是設(shè)計(jì)過程的核心。

持續(xù)的市場(chǎng)對(duì)更緊湊的燈具和燈具的需求進(jìn)一步加劇了這些基本挑戰(zhàn)。

在娛樂照明等便攜式應(yīng)用中需要較小的照明裝置，以便它們能夠更容易地運(yùn)輸和處理，并且在使用中不那么突出。在改裝應(yīng)用中 - 從路燈到家用筒燈等各種應(yīng)用 - 設(shè)計(jì)師需要將尺寸和形狀保持在現(xiàn)有固定裝置所定義的范圍內(nèi)。這通常包括擠壓夾具內(nèi)的電子驅(qū)動(dòng)器電路，以及 - 在定向照明的情況下 - LED發(fā)射器模塊和透鏡。這意味著熱量必須從不斷減少的空間中消散。

在設(shè)計(jì)階段也必須考慮最終應(yīng)用。LED部署在各種各樣的環(huán)境中;在汽車應(yīng)用中，例如，設(shè)備可能需要在高達(dá)85oC的環(huán)境溫度下工作。這意味著制造商必須建立自己的設(shè)備，以滿足客戶對(duì)輸出，顏色和使用壽命的要求，同時(shí)考慮工作溫度，并允許任何由溫度引起的性能轉(zhuǎn)變。

管理傳熱

對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說，熱管理的目的是將設(shè)備產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到環(huán)境空氣中，以防止部件過熱。熱管理的范圍和復(fù)雜程度取決于熱量的大小，來源的大小以及預(yù)期的環(huán)境條件。處理這些因素需要明確定義的傳熱路徑。

通常，系統(tǒng)傳熱路徑始于熱源（半導(dǎo)體結(jié)層），并在最終到達(dá)環(huán)境空氣之前通過PCB，散熱器和外殼行進(jìn)（圖1）。挑戰(zhàn)在于在功率等級(jí)和設(shè)備應(yīng)用的限制范圍內(nèi)管理這種傳熱。

圖1：LED系統(tǒng)中的傳熱

通常，LED系統(tǒng)的熱管理可以分解為三個(gè)系統(tǒng)級(jí)別：LED本身，基板/ PCB和冷卻單元。系統(tǒng)傳熱的熱路徑可以用相同的術(shù)語來描述。LED屏障層中產(chǎn)生的熱量通過LED外殼（封裝）通過焊接接頭傳輸?shù)捷d體（PCB）上。在PCB級(jí)別，可以通過各種設(shè)計(jì)措施（水平和垂直導(dǎo)熱）將熱量傳輸?shù)缴崞鳌纳釂卧ɡ缟崞?，系統(tǒng)外殼），熱量最終通過自然對(duì)流和熱輻射傳遞至周圍環(huán)境。

在每個(gè)階段，設(shè)計(jì)人員都面臨著許多關(guān)鍵的決定，以優(yōu)化傳熱。

在LED水平上，住房類型對(duì)熱管理有重大影響。舉幾個(gè)例子來說，基于引線框架的LED外殼和基于陶瓷的LED外殼為設(shè)計(jì)師提供了不同的傳熱方法。

對(duì)于引線框架外殼（圖2），半導(dǎo)體芯片安裝在引線框架上，在大多數(shù)情況下，該引線框架由鍍銅合金組成。連接可以膠合或焊接。從阻擋層開始，熱量主要通過芯片和引線框架從封裝散發(fā)出去。通過接合線發(fā)生的熱傳遞量是微不足道的。

圖 2：通過導(dǎo)線的熱傳導(dǎo)

在基于陶瓷襯底的LED封裝的情況下（圖3），半導(dǎo)體芯片連接到陶瓷的金屬化層。陶瓷具有良好的導(dǎo)熱性，可以與金屬化層一起散熱。半導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量通過金屬化層和陶瓷基材分布，并通過焊盤傳遞給PCB。

圖3：通過陶瓷基板進(jìn)行導(dǎo)熱

了解LED外殼中的熱傳導(dǎo)路徑非常重要，因?yàn)樗軌蛘_選擇后續(xù)系統(tǒng)組件（PCB，焊盤等）。

PCB的散熱設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)人員提供了另一系列決策（圖4）。熱量可以通過PCB（水平傳導(dǎo)）或通過PCB（垂直傳導(dǎo)）傳輸。

圖4：PCB級(jí)別的各種散熱設(shè)計(jì)元件

在這兩種情況下，導(dǎo)電路徑都受到一系列因素的影響：LED在PCB上的位置，需要耗散的熱損耗水平以及是否有其他潛在的熱源接近。而且，縮小LED設(shè)備會(huì)增加復(fù)雜性。較小的設(shè)備與電路板的接觸面積減小;以前，舊的和更大的封裝意味著更多的散熱可以在設(shè)備本身上完成。這些較小的設(shè)備越來越多地迫使這一過程在PCB上進(jìn)行。

然后，這些因素影響材料選擇，所需的表面積，導(dǎo)電層所需的厚度以及PCB設(shè)計(jì)中對(duì)熱通孔的需求。

最后的系統(tǒng)層是向周圍環(huán)境過渡的點(diǎn)。從這一點(diǎn)來說，由于空氣的低傳導(dǎo)性，熱量只能通過對(duì)流或輻射有效地消散。

大多數(shù)LED設(shè)計(jì)依靠自然對(duì)流，而不是強(qiáng)制對(duì)流。這意味著設(shè)計(jì)師需要提供最大表面積的散熱片 - 而不是采用像風(fēng)扇這樣的主動(dòng)方法，或者更復(fù)雜的方法，如珀耳帖元件，熱管或水冷。

圖5：汽車LED應(yīng)用中的熱模擬

模擬在LED設(shè)計(jì)中的重要性

以上因素說明了為什么散熱設(shè)計(jì)在LED照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)中如此重大的挑戰(zhàn)。如前所述，LED照明設(shè)計(jì)師需要知道他們的設(shè)備將符合規(guī)格，通常在非常具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中。向客戶提供不提供所需顏色或預(yù)期壽命的LED是不可接受的。

6SigmaET自己的研究表明，近三分之二的工程師[1]傾向于“過度設(shè)計(jì)”他們的設(shè)計(jì)，而不是使用工具來優(yōu)化散熱性能。說到LED燈，由于尺寸限制和其他因素，不可能依賴“經(jīng)驗(yàn)法則”。

有許多變數(shù)需要考慮，以及一系列可供選擇的潛在設(shè)計(jì)選項(xiàng)。熱仿真是評(píng)估具有已知邊際條件和負(fù)載的不同冷卻概念的唯一方法。它使設(shè)計(jì)人員能夠識(shí)別散熱問題，并嘗試使用不同的LED封裝，PCB材料和冷卻設(shè)備 - 而無需創(chuàng)建原型。以這種方式使用熱模擬可以讓LED設(shè)計(jì)師確保其設(shè)計(jì)滿足性能要求。這使得熱仿真成為L(zhǎng)ED照明設(shè)計(jì)的重要組成部分。

那么，LED設(shè)計(jì)師應(yīng)該在熱仿真工具中尋找哪些關(guān)鍵特性？

熱仿真工具的實(shí)踐

越來越多的熱仿真工具是絕對(duì)必要的。他們不再是一個(gè)“很高興擁有”。關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素之一是產(chǎn)品的平均上市時(shí)間現(xiàn)在非常短暫。因此，在使用仿真與物理測(cè)試相結(jié)合時(shí)，CFD工具需要在開發(fā)過程中節(jié)省大量時(shí)間。根本沒有時(shí)間進(jìn)行廣泛的物理實(shí)驗(yàn)。

除了減少對(duì)物理測(cè)試的依賴，使用專用的熱仿真軟件還可以帶來其他好處，包括降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和LED產(chǎn)品冷卻效率提高10-30％?？偟膩碚f，可以估計(jì)，就客戶的總上市時(shí)間而言，它可以節(jié)省幾周到幾個(gè)月的時(shí)間。

圖6和圖7：兩種不同LED替換燈設(shè)計(jì)的仿真模型

復(fù)雜的幾何處理:

大多數(shù)熱模擬工具可以很容易地處理正方形或矩形的形狀，但是LED燈很少，如果有的話，正方形。因此，需要一個(gè)工具，可以很容易地建模并解決LED設(shè)計(jì)中所期望的更圓或圓形的形狀。

大型模型處理:

OTS認(rèn)為其設(shè)計(jì)模型正變得越來越大，越來越復(fù)雜。在它的幾個(gè)LED項(xiàng)目中，它的模型包含了多達(dá)5- 1500萬個(gè)網(wǎng)格單元。該工具需要處理這些大型模型，而不會(huì)變得太慢或難以處理。

快速測(cè)試多個(gè)設(shè)計(jì)變量:

在進(jìn)行敏感性研究時(shí)，處理大型模型的能力尤為重要。要真正優(yōu)化設(shè)計(jì)，快速測(cè)試多種設(shè)計(jì)的變化——組件的放置、外殼材料、環(huán)境等——是確保產(chǎn)品按要求工作的關(guān)鍵。選擇一個(gè)可以使這個(gè)過程盡可能簡(jiǎn)單的工具。

結(jié)論

如果沒有正確的熱設(shè)計(jì)，你的LED燈將會(huì)迅速失效。然而，優(yōu)化任何LED照明產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)師需要有合適的工具。如果您正在與上面描述的任何因素作斗爭(zhēng)，那么可能是時(shí)候重新評(píng)估您的模擬工具了。