熱仿真和熱特性優化 LED 在汽車上的應用

行業發展趨勢

       不同于傳統的汽車光源，LED 對溫度更敏感，并且在設計中使用它們，需要了解隨著時間的推移其結構和性能的變化以及合適的熱管理系統（從散熱裝置到冷卻流體流）。掌握了全部信息后，照明設計師可以優化他們的設計，以確保更長的 LED 使用壽命，最少的發射波長轉移，或最小化的光輸出減少，因為光輸出減少會縮短 LED 使用壽命。他們可以更有效地使用 LED 作為光源，從而增加 LED 在汽車行業的使用。

在汽車照明中使用 LED 所面臨的挑戰

       LED 在熱方面的主要挑戰是要保持較高的色彩穩特性和壽命。用于汽車行業的 LED 需要有終身的耐用性。由于 LED 不僅效率高，而且具有高能見度和安全性，歐洲經濟委員會（ECE）規定自 2011 年起所有新車型必須使用日間行車燈（DRL）。由于外部照明如前燈和尾燈是近乎完全密封的系統，除了非常小的氣流入口、出口和普通白熾燈泡的小開口，在 有缺陷的情況下改換 LED 是不切實際的。因此，必須保證 LED 乃至整燈設計的高可靠性和高質量，因為更換整個前燈是非常昂貴的，如果在保修期內，對于 OEM 和系統供應商而言成本也是極高的。

了解 LED 熱和輻射特性可確保其可靠性

       原始數據表并不總是能夠根據流體或結構模擬提供數據以獲得準確可靠的結果，制造商通常也不能由此提供測量誤差的保證或指示。因此，為了確保您的產品在使用元件和材料之間的可靠性，您需要在您的應用中對其特性進行測試和測量。

測試確保了質量和一致性

       T3Ster 系統可以在一天內完成超過 100 個符合 JESD51-51/JESD51-52 標準的 LED 熱和輻射測量，這是目前市場上速度最快的熱測試（圖 2）。它也是最準確的，僅1微秒（1×10-6 秒）后就能捕獲 LED 的瞬態響應，溫度分辨率為 0.01°C。這意味著可以捕獲 LED 熱響應最早的一部分；因此，你可以看到 LED 封裝內接近熱源的關鍵構造功能的影響，如短時間內芯片附著的熱阻。

        T3Ster 后處理軟件完全支持 JESD51-14 標準中結—殼熱阻測量，允許直接從測量獲得溫度隨時間變化的曲線， 從而重新構建為“結構函數”（JESD51-14 附件A中所述），然后自動找到結—殼熱阻的值。

圖 2：Mentor Graphics 的 T3Ster 熱瞬態測試儀僅在 1 微秒 （1×10-6 秒）后捕獲 LED 的瞬態響應，溫度分辨率為 0.01°C。
基于特定的電流分析 LED 的熱和亮度 
       Mentor Graphics 的 FloEFD 版本 12 熱模擬工具因其獨特的 LED 緊湊外形提供后處理能力，您不僅可以看到 LED 的熱度變化，而且也可以看到 LED 根據您所使用的電流而產生多少的實際熱量。根據這些信息，您也可 以看到 LED 的亮度。如果不具備這種能力，工程師會為 LED 定義熱阻模型，并應用發熱率，但實際上并不知道究竟有多大，因為電壓和光功率的范圍取決于針對該特定電流的 LED 的溫度（如圖 1 所示）。 
       圖 3 示出，使用 LED 緊湊模型，您可以定義電流，然后使用 T3Ster 數據或手動輸入的計算數據（通常不如 T3Ster 數據準確），還可以從 T3Ster 或數據表得到 LED 的熱特性所導致的溫度，然后可以得到光通量或“熱流明”，以及 LED 在結點溫度和電流的發熱率。LED 的溫度因運行的不同電流而變化，這些不同的電流和溫度變化又會導致不同的光通量。

 

圖 3：使用 FloEFD LED 緊湊型，您可以得到 LED 在特定的結點溫度和電流的光通量或“熱流明”。

并行 CFD 確保汽車 LED 系統成功的熱管理 

       通過 FloEFD 使用的并行 CFD 方法可縮短設計周期，包括在每個設計迭代進行準確的熱模擬。不同于前期 CFD，它依賴于 CAD 模型的導出從而導入 CFD 系統，并行 CFD 完全嵌入在機械計算機輔助設計（MCAD）環境 中，從而不需要用中性文件格式（如 STEP 或 IGES）轉移模型，失去了在原始的 CAD 模型中存在的任何參數定義。參數定義的幾何有助于模擬，包括設計變量分析。 

       網格化和其他技術使得只需了解產品及其性能便能利用 CFD 技術。模擬時間，尤其是形成網格的時間（這是傳 統方法中耗時最長的步驟）被減少到最低限度。這項技術的應用延伸到汽車行業以及其他行業的許多領域。圖 4 的例子說明 OEM 工程師如何成功地使用這種技術以在其 MCAD 系統內模擬不同的汽車應用。

圖 4：奧迪 A3 前前燈的 FloEFD 模擬圖像，顯示冷卻和蒸發時向前前燈系統提供新鮮空氣的速度等值面。（圖片由奧迪公司提供。保留所有權利。）

結論 

       使用 T3Ster 進行徹底的 LED 熱瞬態測試，包括光度和輻射測量時，您可以產生真正的具有高精確度和可重復性的熱阻測量，將其轉換為熱阻-熱容模型，在產品設計中用于 CFD 模擬。 

       進行老化壽命測試，還可以幫助您選擇最合適的，在設計的產品壽命期間具有高可靠性的 LED。而且，熱模擬測試保證了熱管理系統將為 LED 提供合適的環境，使質量和性能損失降到最小。FloEFD 同步 CFD 方法通過在設計初期進行模擬、縮短上市時間和降低開發和原型制作成本，從而加快產品設計周期。

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