明導：熱仿真和熱特性分析幫助優(yōu)化汽車LED應(yīng)用

電子設(shè)計自動化技術(shù)的領(lǐng)導廠商 Mentor Graphics近日發(fā)布一份題為《熱仿真和熱特性分析幫助優(yōu)化汽車LED應(yīng)用》的研究報告。中文版的報告全文可在 Mentor Graphics 的官方網(wǎng)站閱讀和下載：[ http://automotive.cn.mentor.com/news-publications/mentor-leds-automotive-applications ]。

引言

本文講述了能夠幫助汽車照明行業(yè)實現(xiàn)較佳熱管理的方法。我們就選擇和測量 LED 熱特性以及為特定應(yīng)用選擇較合適的 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雜照明系統(tǒng)的熱仿真，以及使用同步計算流體力學技術(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。《LEDs 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)射波長移位較小，或者光輸出損失較小。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。

全文要點與大綱如下：

1.在汽車照明領(lǐng)域使用 LED 的挑戰(zhàn)

2.分析熱和輻射行為的特性可確保高可靠性

--熱特性

LED 的熱阻會對產(chǎn)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(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。熱阻數(shù)值告訴我們單位熱源應(yīng)用于設(shè)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

較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微秒之后 LED 的瞬態(tài)響應(yīng)，溫度分辨率為0.01攝氏度。

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

-- 輻射分析

熱分析對于了解發(fā)光二級管的缺陷至關(guān)重要，可用來獲得熱阻信息以及測試合適的粘結(jié)劑或熱界面材料來確保裝配后的較佳熱管理能力。但用來給發(fā)光二級管供電的總電力被轉(zhuǎn)化為熱和光。因此，如圖4所示，為了正確進行熱分析，發(fā)光二級管產(chǎn)生的光功率應(yīng)從供給電力中減去，從而得出真正的內(nèi)部熱阻（完全基于發(fā)光二級管的熱功率）。

圖4：熱瞬態(tài)測試原理圖，在進行 LED 測量時考慮了光功率

圖5：光度與輻射測量示例

通過明導的 TERALED/T3Ster 測試硬件，也可以從測量中導出參數(shù)，如總光通量、總輻射通量、X、Y 和 Z 三色值，同時還可以完成一份頻譜分析。通過一種單一的綜合測量方法，可能會測出二極管特性、光功率、輻射效率、光通量、發(fā)光效率、暗視覺通量和色坐標對電流和溫度的依賴性，并將其顯示為 LED 的驅(qū)動電流、接面溫度或冷板溫度的一個函數(shù)（見圖5）。

3.根據(jù)具體電流分析 LED 的熱量和亮度

圖6顯示，通過這個 LED 簡化模式，你可以定義電流，然后運用 T3Ster 數(shù)據(jù)或手動輸入計算得出的數(shù)據(jù)（通常來說沒有 T3Ster 數(shù)據(jù)那樣準確），你可以從 T3Ster 或數(shù)據(jù)表中獲得 LED 熱特性帶來的溫度值，你還可以獲得 LED 在這個接面溫度和電流下的光通量或“熱流明”和發(fā)熱率。LED 的溫度會依據(jù)不同的電流而有所變化。這些不同的電流和溫度變化又造成了光通量的不同。

圖6：通過 FloEFD LED 精簡模型，你可以獲得 LED 在某個特定接面溫度和電流的光通量或“熱流明”。

4.早期仿真加快產(chǎn)品開發(fā)

5.與設(shè)計同步的計算流體力學確保對汽車 LED 系統(tǒng)進行成功的熱管理

憑借自動網(wǎng)格生成和其它技術(shù)，你只需對產(chǎn)品及其行為有必要的了解便能使用計算流體力學技術(shù)。傳統(tǒng)情況下耗時較長的步驟——仿真和網(wǎng)格生成——已較大程度地縮短。這項技術(shù)的應(yīng)用延伸至汽車行業(yè)的很多領(lǐng)域以及其它行業(yè)。圖7顯示了原始設(shè)備制造商工程師如何成功使用這項技術(shù)仿真來自他們 MCAD 系統(tǒng)內(nèi)部的不同汽車應(yīng)用。

圖7：奧迪 A3 車前燈的 FloEFD 模擬圖像，展示了為車前燈系統(tǒng)冷卻和散熱提供新鮮空氣的速度等值面

結(jié)論

當使用Mentor Graphics的 T3Ster 和 TERALED 進行全面的 LED 熱阻瞬態(tài)測試（包括光度和輻射測量）時，你會得出高度準確和可重復的真正熱阻測量結(jié)果，并且在產(chǎn)品設(shè)計期間將這些轉(zhuǎn)換成用于計算流體力學仿真的熱阻-熱容模型。

進行高度加速的壽命測試還能幫助你選擇在產(chǎn)品使用期內(nèi)具有高可靠性的較合適的 LED。此外，熱仿真可確保熱管理系統(tǒng)在 LED 的整個生命周期提供適宜的環(huán)境，并且較大程度地降低對質(zhì)量和性能的影響。 FloEFD 同步計算流體力學方法還通過在設(shè)計初期進行仿真加速了產(chǎn)品設(shè)計周期，縮短了產(chǎn)品面市時間并削減了開發(fā)與樣機設(shè)計成本。

參考

1. JESD51-14 “Transient Dual Interface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction to Case of Semiconductor Devices with Heat Flow through a Single Path”

關(guān)于 Mentor Graphics

Mentor Graphics 集團（納斯達克代碼：MENT）是電子硬件和軟件設(shè)計解決方案的全球領(lǐng)導者，為世界上較成功的電子和半導體公司提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品、咨詢服務(wù)和支持，所提供的支 持曾多次獲獎。公司成立于1981年，在過去的12個月中實現(xiàn)營業(yè)收入約10.15億美元。公司總部地址：8005 S.W. Boeckman Road, Wilsonville, Oregon 97070-7777（美國俄勒岡州）。官方網(wǎng)站： http://www.mentor.com 。

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