汽車(chē)電子中的LED高效熱管理

　如今電子產(chǎn)品成本占到整車(chē)成本的30-40%左右，并且這一數字還在穩步上升。這些電子產(chǎn)品不僅包括功能性元件，如發(fā)動(dòng)機控制單元、制動(dòng)系統和傳動(dòng)系統控制裝置，也包括了娛樂(lè )和導航部件。近來(lái)LED技術(shù)的使用出現了爆炸式增長(cháng)，也正好說(shuō)明了這一點(diǎn)。例如，在歐洲所有新車(chē)必須配備日間行車(chē)燈，而LED則因為功耗低和效率高的特點(diǎn)成為了首選照明技術(shù)。

　　高效的熱管理非常重要，這是因為LED會(huì )不斷散發(fā)出熱量，并且LED的燈罩越來(lái)越小。隨著(zhù)亮度和功率的不斷提高，被緊密排列在一起的LED（如汽車(chē)頭尾燈）卻無(wú)法用風(fēng)扇等來(lái)降溫。因此可靠性和性能勢必會(huì )受到影響。當LED超過(guò)臨界結溫時(shí)，就會(huì )出現兩個(gè)問(wèn)題。首先，LED會(huì )變暗，顏色也會(huì )改變。其次，如果溫度持續過(guò)高，它們的使用壽命就會(huì )縮短，繼而過(guò)早報廢。汽車(chē)LED的平均壽命有好幾千個(gè)小時(shí)，這些問(wèn)題會(huì )為制造商帶來(lái)額外的保修成本。

　　良好的熱設計對高效的熱管理至為關(guān)鍵。LED元件是設計過(guò)程中的第一個(gè)環(huán)節（見(jiàn)圖1）。元件設計師利用熱分析軟件和測量硬件對元件的材料和結構進(jìn)行分析，以確保結點(diǎn)產(chǎn)生的熱量能輕易地通過(guò)LED各層散發(fā)出來(lái)。子系統設計師會(huì )將LED排成陣列，并加入散熱器和其他冷卻裝置，然后對產(chǎn)品進(jìn)行再次分析。他們可能會(huì )調整LED之間的間隔距離或添加額外的冷卻裝置，以確保LED不會(huì )超過(guò)臨界溫度。最后一步通常是由機械設計師利用機械計算機輔助設計（MCAD）系統來(lái)完成，設計師會(huì )將排列起來(lái)的LED燈放進(jìn)燈罩（如汽車(chē)前燈）里，同時(shí)利用先進(jìn)的計算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件進(jìn)行熱分析。

圖1:在LED設計的各環(huán)節進(jìn)行熱分析對良好的熱管理是必要的。

　　如果解決了元件層面的熱管理問(wèn)題并不意味著(zhù)也解決了子系統的這個(gè)問(wèn)題。而解決了子系統的熱管理問(wèn)題，也不代表系統的熱管理問(wèn)題就解決了。只有把所有熱問(wèn)題都解決了，才能確保這個(gè)設計具備良好的熱管理。

　　設計的空白

　　出色的CFD熱分析軟件已問(wèn)世多年。FloTHERM等產(chǎn)品快速精確，其易用性對設計師來(lái)說(shuō)十分理想。但這種分析的質(zhì)量到底如何取決于提供給軟件的組件熱模式。不管分析質(zhì)量有多好，不精確的模式只會(huì )誤導你。

　　供應商提供的典型LED數據表只會(huì )出現大量功率損耗（如最大正向電流和電壓）以及結點(diǎn)和某些參考之間的單個(gè)熱阻，如焊接點(diǎn)。并沒(méi)有熱量如何通過(guò)封裝各層并散發(fā)出去的信息。也沒(méi)有能夠用于界定各層熱阻和電容的熱路徑/障礙描述。

　　因此，熱專(zhuān)家通常會(huì )估測設備的內部結構，并創(chuàng )建一個(gè)熱模型來(lái)說(shuō)明各層和各構造的熱阻和電容情況。但是熱專(zhuān)家只要幾個(gè)百分點(diǎn)的偏差就會(huì )導致分析不精確。使用這種方法時(shí)并沒(méi)有驗證或判斷熱模式精確性的方法。

　　因此優(yōu)秀熱設計的過(guò)程中還存在空白。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的所有環(huán)節（元件、子系統和整個(gè)系統）中，熱分析絕對不能少。但只有在元件熱模型良好的情況下，熱分析結果才可以算是好的。在不了解組件內部結構的情況下，我們無(wú)法界定或驗證模型的精確性，并且通常元件供應商也不會(huì )泄露這方面的知識產(chǎn)權。