明导：热仿真和热特性分析帮助优化汽车LED应用
上海2013年6月3日电 /美通社/ -- 电子设计自动化技术的领导厂商 Mentor Graphics近日发布一份题为《热仿真和热特性分析帮助优化汽车LED应用》的研究报告。中文版的报告全文可在 Mentor Graphics 的官方网站阅读和下载：[http://automotive.cn.mentor.com/news-publications/mentor-leds-automotive-applications]。
引言
本文讲述了能够帮助汽车照明行业实现最佳热管理的方法。我们就选择和测量 LED 热特性以及为特定应用选择最合适的 LED 进行了讨论。由于温度过热可能破坏 LED 系统的稳定性，我们还讨论了车前灯和车尾灯等形状复杂照明系统的热仿真，以及使用同步计算流体力学技术来设计更高品质的产品并以更快、更高效、更经济的方式开发汽车照明系统。
行业趋势
根据麦肯锡公司 (McKinsey & Company) 对全球照明市场的见解，汽车照明市场目前规模约为180亿美元（130亿欧元），占整个照明市场的大约20%，预计到2020年将增至250亿美元（180亿欧元）。随着 LED（发光二极管）的发展，汽车应用中的 LED 预计在未来10年会显著增长。《LEDs Magazine》2012年11月刊登的一篇文章称，戴姆勒即将面市的 S 系列梅赛德斯的所有照明系统都将使用 LED。2010年至2020年，LED的价格将减至当前价格的十分之一，因此相比传统光源，LED 将更具竞争力。
与传统汽车照明光源不同的是，LED 对温度更加敏感，不仅仅需要对设计中使用 LED的结构和特性有足够了解，还需要了解从散热器到冷却流体的整个热管理系统。拥有了这些技能后，照明设计师就能优化其设计，确保 LED 使用寿命长久，发射波长移位最小，或者光输出损失最小。他们还能更有效地将 LED 作为一种光源来使用，并推动 LED 在汽车行业的全面普及。
全文要点与大纲如下：
1.在汽车照明领域使用 LED 的挑战
2.分析热和辐射行为的特性可确保高可靠性
--热特性
LED 的热阻会对产品的寿命、效率和多个域的运行以及电、热和光学性能造成影响（图1）。LED 套件和其它所有半导体设备套件一样，可通过热阻进行很好的特性分析，以实现稳定运行。热阻数值告诉我们单位热源应用于设备会导致温度上升多少度。
图1：热问题影响着 LED 套件的方方面面。
最基本的方法是测量部件与温度相关的电压。LED 从一个稳定的状态打开或关闭，过一段时间之后，又到达另一个稳定的状态（热/冷，反之亦然）。在这个过程中不断进行瞬态测量，提供很小测量电流下的热瞬态响应曲线。在测量出的温度差异和功率差异（用于开关部件）（图2）的帮助下，便可得出结构函数（图3）。
图2：Mentor Graphics的T3Ster 热瞬态测试仪可记录短短1微秒之后 LED 的瞬态响应，温度分辨率为0.01摄氏度。
图3：通过瞬态响应，我们可自动确定 LED 套件样本的结构函数。这一 R/C 模式可直接用于热模拟软件。
-- 辐射分析
热分析对于了解发光二级管的缺陷至关重要，可用来获得热阻信息以及测试合适的粘结剂或热界面材料来确保装配后的最佳热管理能力。但用来给发光二级管供电的总电力被转化为热和光。因此，如图4所示，为了正确进行热分析，发光二级管产生的光功率应从供给电力中减去，从而得出真正的内部热阻（完全基于发光二级管的热功率）。
图4：热瞬态测试原理图，在进行 LED 测量时考虑了光功率。
图5：光度与辐射测量示例
通过明导的 TERALED/T3Ster 测试硬件，也可以从测量中导出参数，如总光通量、总辐射通量、X、Y 和 Z 三色值，同时还可以完成一份频谱分析。通过一种单一的综合测量方法，可能会测出二极管特性、光功率、辐射效率、光通量、发光效率、暗视觉通量和色坐标对电流和温度的依赖性，并将其显示为 LED 的驱动电流、接面温度或冷板温度的一个函数（见图5）。
3.根据具体电流分析 LED 的热量和亮度
图6显示，通过这个 LED 简化模式，你可以定义电流，然后运用 T3Ster 数据或手动输入计算得出的数据（通常来说没有 T3Ster 数据那样准确），你可以从 T3Ster 或数据表中获得 LED 热特性带来的温度值，你还可以获得 LED 在这个接面温度和电流下的光通量或“热流明”和发热率。LED 的温度会依据不同的电流而有所变化。这些不同的电流和温度变化又造成了光通量的不同。
图6：通过 FloEFD LED 精简模型，你可以获得 LED 在某个特定接面温度和电流的光通量或“热流明”。
4.早期仿真加快产品开发
5.与设计同步的计算流体力学确保对汽车 LED 系统进行成功的热管理
凭借自动网格生成和其它技术，你只需对产品及其行为有必要的了解便能使用计算流体力学技术。传统情况下耗时最长的步骤——仿真和网格生成——已最大程度地缩短。这项技术的应用延伸至汽车行业的很多领域以及其它行业。图7显示了原始设备制造商工程师如何成功使用这项技术仿真来自他们 MCAD 系统内部的不同汽车应用。
图7：奥迪 A3 车前灯的 FloEFD 模拟图像，展示了为车前灯系统冷却和散热提供新鲜空气的速度等值面
结论
当使用Mentor Graphics的 T3Ster 和 TERALED 进行全面的 LED 热阻瞬态测试（包括光度和辐射测量）时，你会得出高度准确和可重复的真正热阻测量结果，并且在产品设计期间将这些转换成用于计算流体力学仿真的热阻-热容模型。
进行高度加速的寿命测试还能帮助你选择在产品使用期内具有高可靠性的最合适的 LED。此外，热仿真可确保热管理系统在 LED 的整个生命周期提供适宜的环境，并且最大程度地降低对质量和性能的影响。 FloEFD 同步计算流体力学方法还通过在设计初期进行仿真加速了产品设计周期，缩短了产品面市时间并削减了开发与样机设计成本。
参考
- 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”
关于 Mentor Graphics
Mentor Graphics 集团（纳斯达克代码：MENT）是电子硬件和软件设计解决方案的全球领导者，为世界上最成功的电子和半导体公司提供优质产品、咨询服务和支持，所提供的支 持曾多次获奖。公司成立于1981年，在过去的12个月中实现营业收入约10.15亿美元。公司总部地址：8005 S.W. Boeckman Road, Wilsonville, Oregon 97070-7777（美国俄勒冈州）。官方网站：http://www.mentor.com 。
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消息来源 Mentor Graphics