汽車LED照明應用中的熱模擬設計方案
發光二極管(led)在當今許多照明技術領域都被使用和接受。但是如果沒有合適的熱設計，LED燈就不可行。6SigmaET的開發經理Chris Aldham解釋了為什么將關鍵組件保持在有限的溫度范圍內是非常關鍵的，為什么這使得熱模擬對LED設備設計者很重要，以及如何為這個任務選擇合適的熱管理模擬工具。
汽車LED應用中的熱模擬
一旦被視為“未來的光源”，LED就會迅速成為常態。LED產品的設計是一個復雜的多學科問題，特別是散熱設計對器件的性能和使用壽命至關重要。借助正確的熱仿真工具，開發團隊能夠更好地提供符合可靠性，外形尺寸和性能目標的產品。
設計挑戰
由于將電流直接轉換為半導體中的光輻射，因此LED具有高效率 – 比大多數“傳統”照明技術更高效。然而，盡管比白熾燈或熒光燈照明效率更高，但LED中的大量電力仍轉化為熱量而不是光 – 電流越高，產生的熱量就越多。
這種多余的熱量必須遠離LED傳導：這是因為半導體材料被限制在最高溫度，并且其特性(例如正向電壓，波長和壽命)可能隨溫度而變化。
隨著溫度的升高，LED的光輸出可能會降低10%。同樣，保持所需的光色與溫度有關。
LED燈的預期使用壽命 – 通常在25,000至50,000小時之間 – 也與照明燈具內的溫度密切相關。
最終，只有充分的熱管理才能促進LED在運行過程中的性能和效率。適當的冷卻 – LED本身和驅動電路中使用的鋁電解電容 – 是設計過程的核心。
持續的市場對更緊湊的燈具和燈具的需求進一步加劇了這些基本挑戰。
在娛樂照明等便攜式應用中需要較小的照明裝置，以便它們能夠更容易地運輸和處理，并且在使用中不那么突出。在改裝應用中 – 從路燈到家用筒燈等各種應用 – 設計師需要將尺寸和形狀保持在現有固定裝置所定義的范圍內。這通常包括擠壓夾具內的電子驅動器電路，以及 – 在定向照明的情況下 – LED發射器模塊和透鏡。這意味著熱量必須從不斷減少的空間中消散。
在設計階段也必須考慮最終應用。LED部署在各種各樣的環境中; 在汽車應用中，例如，設備可能需要在高達85oC的環境溫度下工作。這意味著制造商必須建立自己的設備，以滿足客戶對輸出，顏色和使用壽命的要求，同時考慮工作溫度，并允許任何由溫度引起的性能轉變。
管理傳熱
對于設計人員來說，熱管理的目的是將設備產生的熱量轉移到環境空氣中，以防止部件過熱。熱管理的范圍和復雜程度取決于熱量的大小，來源的大小以及預期的環境條件。處理這些因素需要明確定義的傳熱路徑。
通常，系統傳熱路徑始于熱源(半導體結層)，并在最終到達環境空氣之前通過PCB，散熱器和外殼行進(圖1)。挑戰在于在功率等級和設備應用的限制范圍內管理這種傳熱。
圖1： LED系統中的傳熱
通常，LED系統的熱管理可以分解為三個系統級別：LED本身，基板/ PCB和冷卻單元。系統傳熱的熱路徑可以用相同的術語來描述。LED屏障層中產生的熱量通過LED外殼(封裝)通過焊接接頭傳輸到載體(PCB)上。在PCB級別，可以通過各種設計措施(水平和垂直導熱)將熱量傳輸到散熱器。從散熱單元(例如散熱器，系統外殼)，熱量最終通過自然對流和熱輻射傳遞至周圍環境。
在每個階段，設計人員都面臨著許多關鍵的決定，以優化傳熱。
在LED水平上，住房類型對熱管理有重大影響。舉幾個例子來說，基于引線框架的LED外殼和基于陶瓷的LED外殼為設計師提供了不同的傳熱方法。
對于引線框架外殼(圖2)，半導體芯片安裝在引線框架上，在大多數情況下，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出去。通過接合線發生的熱傳遞量是微不足道的。
圖 2： 通過導線的熱傳導
在基于陶瓷襯底的LED封裝的情況下(圖3)，半導體芯片連接到陶瓷的金屬化層。陶瓷具有良好的導熱性，可以與金屬化層一起散熱。半導體中產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：通過陶瓷基板進行導熱
了解LED外殼中的熱傳導路徑非常重要，因為它能夠正確選擇后續系統組件(PCB，焊盤等)。
PCB的散熱設計為設計人員提供了另一系列決策(圖4)。熱量可以通過PCB(水平傳導)或通過PCB(垂直傳導)傳輸。
圖4： PCB級別的各種散熱設計元件
在這兩種情況下，導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設備會增加復雜性。較小的設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備本身上完成。這些較小的設備越來越多地迫使這一過程在PCB上進行。
然后，這些因素影響材料選擇，所需的表面積，導電層所需的厚度以及PCB設計中對熱通孔的需求。
最后的系統層是向周圍環境過渡的點。從這一點來說，由于空氣的低傳導性，熱量只能通過對流或輻射有效地消散。
大多數LED設計依靠自然對流，而不是強制對流。這意味著設計師需要提供最大表面積的散熱片 – 而不是采用像風扇這樣的主動方法，或者更復雜的方法，如珀耳帖元件，熱管或水冷。
圖5： 汽車LED應用中的熱模擬
模擬在LED設計中的重要性
以上因素說明了為什么散熱設計在LED照明產品設計中如此重大的挑戰。如前所述，LED照明設計師需要知道他們的設備將符合規格，通常在非常具有挑戰性的環境中。向客戶提供不提供所需顏色或預期壽命的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“過度設計”他們的設計，而不是使用工具來優化散熱性能。說到LED燈，由于尺寸限制和其他因素，不可能依賴“經驗法則”。
有許多變數需要考慮，以及一系列可供選擇的潛在設計選項。熱仿真是評估具有已知邊際條件和負載的不同冷卻概念的唯一方法。它使設計人員能夠識別散熱問題，并嘗試使用不同的LED封裝，PCB材料和冷卻設備 – 而無需創建原型。以這種方式使用熱模擬可以讓LED設計師確保其設計滿足性能要求。這使得熱仿真成為LED照明設計的重要組成部分。
那么，LED設計師應該在熱仿真工具中尋找哪些關鍵特性?
熱仿真工具的實踐
越來越多的熱仿真工具是絕對必要的。他們不再是一個“很高興擁有”。關鍵驅動因素之一是產品的平均上市時間現在非常短暫。因此，在使用仿真與物理測試相結合時，CFD工具需要在開發過程中節省大量時間。根本沒有時間進行廣泛的物理實驗。
除了減少對物理測試的依賴，使用專用的熱仿真軟件還可以帶來其他好處，包括降低設計風險和LED產品冷卻效率提高10-30%?？偟膩碚f，可以估計，就客戶的總上市時間而言，它可以節省幾周到幾個月的時間。
圖6和圖7： 兩種不同LED替換燈設計的仿真模型
復雜的幾何處理:
大多數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，需要一個工具，可以很容易地建模并解決LED設計中所期望的更圓或圓形的形狀。
大型模型處理:
OTS認為其設計模型正變得越來越大，越來越復雜。在它的幾個LED項目中，它的模型包含了多達5- 1500萬個網格單元。該工具需要處理這些大型模型，而不會變得太慢或難以處理。
快速測試多個設計變量:
在進行敏感性研究時，處理大型模型的能力尤為重要。要真正優化設計，快速測試多種設計的變化——組件的放置、外殼材料、環境等——是確保產品按要求工作的關鍵。選擇一個可以使這個過程盡可能簡單的工具。
結論
如果沒有正確的熱設計，你的LED燈將會迅速失效。然而，優化任何LED照明產品的熱設計是一個重大的挑戰，設計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，那么可能是時候重新評估您的模擬工具了。
