熱仿真和熱特性優(yōu)化 LED 在汽車上的應(yīng)用

行業(yè)發(fā)展趨勢

       不同于傳統(tǒng)的汽車光源，LED 對溫度更敏感，并且在設(shè)計(jì)中使用它們，需要了解隨著時(shí)間的推移其結(jié)構(gòu)和性能的變化以及合適的熱管理系統(tǒng)（從散熱裝置到冷卻流體流）。掌握了全部信息后，照明設(shè)計(jì)師可以優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)，以確保更長的 LED 使用壽命，最少的發(fā)射波長轉(zhuǎn)移，或最小化的光輸出減少，因?yàn)楣廨敵鰷p少會(huì)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(yè)的使用。

在汽車照明中使用 LED 所面臨的挑戰(zhàn)

       LED 在熱方面的主要挑戰(zhàn)是要保持較高的色彩穩(wěn)特性和壽命。用于汽車行業(yè)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(jīng)濟(jì)委員會(huì)（ECE）規(guī)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(tǒng)，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(shí)際的。因此，必須保證 LED 乃至整燈設(shè)計(jì)的高可靠性和高質(zhì)量，因?yàn)楦鼡Q整個(gè)前燈是非常昂貴的，如果在保修期內(nèi)，對于 OEM 和系統(tǒng)供應(yīng)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(shù)據(jù)表并不總是能夠根據(jù)流體或結(jié)構(gòu)模擬提供數(shù)據(jù)以獲得準(zhǔn)確可靠的結(jié)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(chǎn)品在使用元件和材料之間的可靠性，您需要在您的應(yīng)用中對其特性進(jìn)行測試和測量。

測試確保了質(zhì)量和一致性

       T3Ster 系統(tǒng)可以在一天內(nèi)完成超過 100 個(gè)符合 JESD51-51/JESD51-52 標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確的，僅1微秒（1×10-6 秒）后就能捕獲 LED 的瞬態(tài)響應(yīng)，溫度分辨率為 0.01°C。這意味著可以捕獲 LED 熱響應(yīng)最早的一部分；因此，你可以看到 LED 封裝內(nèi)接近熱源的關(guān)鍵構(gòu)造功能的影響，如短時(shí)間內(nèi)芯片附著的熱阻。

        T3Ster 后處理軟件完全支持 JESD51-14 標(biāo)準(zhǔn)中結(jié)—?dú)嶙铚y量，允許直接從測量獲得溫度隨時(shí)間變化的曲線， 從而重新構(gòu)建為“結(jié)構(gòu)函數(shù)”（JESD51-14 附件A中所述），然后自動(dòng)找到結(jié)—?dú)嶙璧闹怠?/p>

圖 2：Mentor Graphics 的 T3Ster 熱瞬態(tài)測試儀僅在 1 微秒 （1×10-6 秒）后捕獲 LED 的瞬態(tài)響應(yīng)，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(dú)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(jù)您所使用的電流而產(chǎn)生多少的實(shí)際熱量。根據(jù)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(huì)為 LED 定義熱阻模型，并應(yīng)用發(fā)熱率，但實(shí)際上并不知道究竟有多大，因?yàn)殡妷汉凸夤β实姆秶Q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(shù)據(jù)或手動(dòng)輸入的計(jì)算數(shù)據(jù)（通常不如 T3Ster 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確），還可以從 T3Ster 或數(shù)據(jù)表得到 LED 的熱特性所導(dǎo)致的溫度，然后可以得到光通量或“熱流明”，以及 LED 在結(jié)點(diǎn)溫度和電流的發(fā)熱率。LED 的溫度因運(yùn)行的不同電流而變化，這些不同的電流和溫度變化又會(huì)導(dǎo)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(jié)點(diǎn)溫度和電流的光通量或“熱流明”。

并行 CFD 確保汽車 LED 系統(tǒng)成功的熱管理 

       通過 FloEFD 使用的并行 CFD 方法可縮短設(shè)計(jì)周期，包括在每個(gè)設(shè)計(jì)迭代進(jìn)行準(zhǔn)確的熱模擬。不同于前期 CFD，它依賴于 CAD 模型的導(dǎo)出從而導(dǎo)入 CFD 系統(tǒng)，并行 CFD 完全嵌入在機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（MCAD）環(huán)境 中，從而不需要用中性文件格式（如 STEP 或 IGES）轉(zhuǎn)移模型，失去了在原始的 CAD 模型中存在的任何參數(shù)定義。參數(shù)定義的幾何有助于模擬，包括設(shè)計(jì)變量分析。 

       網(wǎng)格化和其他技術(shù)使得只需了解產(chǎn)品及其性能便能利用 CFD 技術(shù)。模擬時(shí)間，尤其是形成網(wǎng)格的時(shí)間（這是傳 統(tǒng)方法中耗時(shí)最長的步驟）被減少到最低限度。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用延伸到汽車行業(yè)以及其他行業(yè)的許多領(lǐng)域。圖 4 的例子說明 OEM 工程師如何成功地使用這種技術(shù)以在其 MCAD 系統(tǒng)內(nèi)模擬不同的汽車應(yīng)用。

圖 4：奧迪 A3 前前燈的 FloEFD 模擬圖像，顯示冷卻和蒸發(fā)時(shí)向前前燈系統(tǒng)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(quán)利。）

結(jié)論 

       使用 T3Ster 進(jìn)行徹底的 LED 熱瞬態(tài)測試，包括光度和輻射測量時(shí)，您可以產(chǎn)生真正的具有高精確度和可重復(fù)性的熱阻測量，將其轉(zhuǎn)換為熱阻-熱容模型，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中用于 CFD 模擬。 

       進(jìn)行老化壽命測試，還可以幫助您選擇最合適的，在設(shè)計(jì)的產(chǎn)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(tǒng)將為 LED 提供合適的環(huán)境，使質(zhì)量和性能損失降到最小。FloEFD 同步 CFD 方法通過在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行模擬、縮短上市時(shí)間和降低開發(fā)和原型制作成本，從而加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。

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