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明导电子专家分享：汽车电子中的LED高效热管理

作者：明导电子 （Mentor Graphics CorporaTIon） 机械分析部门总经理 Erich Buergel博士
如今电子产品成本占到整车成本的30-40%左右，并且这一数字还在稳步上升 。这些电子产品不仅包括功能性元件，如发动机控制单元、制动系统和传动系统控制装置，也包括了娱乐和导航部件 。近来LED技术的使用出现了爆炸式增长，也正好说明了这一点 。例如，在欧洲所有新车必须配备日间行车灯，而LED则因为功耗低和效率高的特点成为了首选照明技术 。
高效的热管理非常重要，这是因为LED会不断散发出热量，并且LED的灯罩越来越小 。随着亮度和功率的不断提高，被紧密排列在一起的LED（如汽车头尾灯）却无法用风扇等来降温 。因此可靠性和性能势必会受到影响 。当LED超过临界结温时，就会出现两个问题 。首先，LED会变暗，颜色也会改变 。其次，如果温度持续过高，它们的使用寿命就会缩短，继而过早报废 。汽车LED的平均寿命有好几千个小时，这些问题会为制造商带来额外的保修成本 。
良好的热设计对高效的热管理至为关键 。LED元件是设计过程中的第一个环节（见图1） 。元件设计师利用热分析软件和测量硬件对元件的材料和结构进行分析，以确保结点产生的热量能轻易地通过LED各层散发出来 。子系统设计师会将LED排成阵列，并加入散热器和其他冷却装置，然后对产品进行再次分析 。他们可能会调整LED之间的间隔距离或添加额外的冷却装置，以确保LED不会超过临界温度 。最后一步通常是由机械设计师利用机械计算机辅助设计（MCAD）系统来完成，设计师会将排列起来的LED灯放进灯罩（如汽车前灯）里，同时利用先进的计算流体动力学（CFD）软件进行热分析 。
图1：在LED设计的各环节进行热分析对良好的热管理是必要的 。
如果解决了元件层面的热管理问题并不意味着也解决了子系统的这个问题 。而解决了子系统的热管理问题，也不代表系统的热管理问题就解决了 。只有把所有热问题都解决了，才能确保这个设计具备良好的热管理 。
设计的空白
出色的CFD热分析软件已问世多年 。FloTHERM等产品快速精确，其易用性对设计师来说十分理想 。但这种分析的质量到底如何取决于提供给软件的组件热模式 。不管分析质量有多好，不精确的模式只会误导你 。
供应商提供的典型LED数据表只会出现大量功率损耗（如最大正向电流和电压）以及结点和某些参考之间的单个热阻，如焊接点 。并没有热量如何通过封装各层并散发出去的信息 。也没有能够用于界定各层热阻和电容的热路径/障碍描述 。
【明导电子专家分享：汽车电子中的LED高效热管理】因此，热专家通常会估测设备的内部结构，并创建一个热模型来说明各层和各构造的热阻和电容情况 。但是热专家只要几个百分点的偏差就会导致分析不精确 。使用这种方法时并没有验证或判断热模式精确性的方法 。
因此优秀热设计的过程中还存在空白 。在产品开发的所有环节（元件、子系统和整个系统）中，热分析绝对不能少 。但只有在元件热模型良好的情况下，热分析结果才可以算是好的 。在不了解组件内部结构的情况下，我们无法界定或验证模型的精确性，并且通常元件供应商也不会泄露这方面的知识产权 。
填补空白
解决这个问题的方法就是如图2所示，通过界定和验证组件简化热模式，在硬件测试/测量和热分析之间建立一个连接 。现有的硬件能够测量一个元件的热特性 。例如，明导电子的 T3Ster硬件贴在LED等电子元件上就能测量瞬态结温，不论元件是否通电，都可精确到0.01摄氏度 。在热量从结点散发到周边环境的过程中，瞬态温度特征图能够在一分钟内采集到一万多个数据点，用于描述元件层的热阻和电容情况 。
有了这些数据，软件能够自动生成LED简化热模式 。工程师们从而现在能拥有一个精确有效的模式 。
图2：硬件测试和测量可用于创建或验证LED简化热模式 。
由于能够创建精确有效的元件热模型，热管理设计过程中的空白得到了有效的填补 。这给电子行业带来了很多益处 。LED供应商在设计过程中能利用这种技术来测试热特性，并生成经过热优化的设计，之后再为客户测试和创建一个热模式 。子系统和系统开发商可以用它来验证从供应商那里获得的模型或者在供应商没有提供模型的情况下自己创建模型 。原始设备制造商受到了临界可靠性电子产品的影响，因为质保和回收问题会直接影响他们的盈亏 。他们需要百分百信任他们的产品设计 。

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