上海2013年6月3日電 /美通社/ -- 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)廠商 Mentor Graphics近日發(fā)布一份題為《熱仿真和熱特性分析幫助優(yōu)化汽車LED應(yīng)用》的研究報(bào)告。中文版的報(bào)告全文可在 Mentor Graphics 的官方網(wǎng)站閱讀和下載：[http://automotive.cn.mentor.com/news-publications/mentor-leds-automotive-applications]。
引言
本文講述了能夠幫助汽車照明行業(yè)實(shí)現(xiàn)較佳熱管理的方法。我們就選擇和測(cè)量 LED 熱特性以及為特定應(yīng)用選擇最合適的 LED 進(jìn)行了討論。由于溫度過(guò)熱可能破壞 LED 系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們還討論了車前燈和車尾燈等形狀復(fù)雜照明系統(tǒng)的熱仿真，以及使用同步計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)更高品質(zhì)的產(chǎn)品并以更快、更高效、更經(jīng)濟(jì)的方式開(kāi)發(fā)汽車照明系統(tǒng)。
行業(yè)趨勢(shì)
根據(jù)麥肯錫公司 (McKinsey & Company) 對(duì)全球照明市場(chǎng)的見(jiàn)解，汽車照明市場(chǎng)目前規(guī)模約為180億美元（130億歐元），占整個(gè)照明市場(chǎng)的大約20%，預(yù)計(jì)到2020年將增至250億美元（180億歐元）。隨著 LED（發(fā)光二極管）的發(fā)展，汽車應(yīng)用中的 LED 預(yù)計(jì)在未來(lái)10年會(huì)顯著增長(zhǎng)。《LEDs Magazine》2012年11月刊登的一篇文章稱，戴姆勒即將面市的 S 系列梅賽德斯的所有照明系統(tǒng)都將使用 LED。2010年至2020年，LED的價(jià)格將減至當(dāng)前價(jià)格的十分之一，因此相比傳統(tǒng)光源，LED 將更具競(jìng)爭(zhēng)力。
與傳統(tǒng)汽車照明光源不同的是，LED 對(duì)溫度更加敏感，不僅僅需要對(duì)設(shè)計(jì)中使用 LED的結(jié)構(gòu)和特性有足夠了解，還需要了解從散熱器到冷卻流體的整個(gè)熱管理系統(tǒng)。擁有了這些技能后，照明設(shè)計(jì)師就能優(yōu)化其設(shè)計(jì)，確保 LED 使用壽命長(zhǎng)久，發(fā)射波長(zhǎng)移位最小，或者光輸出損失最小。他們還能更有效地將 LED 作為一種光源來(lái)使用，并推動(dòng) LED 在汽車行業(yè)的全面普及。
全文要點(diǎn)與大綱如下：
1.在汽車照明領(lǐng)域使用 LED 的挑戰(zhàn)
2.分析熱和輻射行為的特性可確保高可靠性
--熱特性
LED 的熱阻會(huì)對(duì)產(chǎn)品的壽命、效率和多個(gè)域的運(yùn)行以及電、熱和光學(xué)性能造成影響（圖1）。LED 套件和其它所有半導(dǎo)體設(shè)備套件一樣，可通過(guò)熱阻進(jìn)行很好的特性分析，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。熱阻數(shù)值告訴我們單位熱源應(yīng)用于設(shè)備會(huì)導(dǎo)致溫度上升多少度。
最基本的方法是測(cè)量部件與溫度相關(guān)的電壓。LED 從一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)打開(kāi)或關(guān)閉，過(guò)一段時(shí)間之后，又到達(dá)另一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)（熱/冷，反之亦然）。在這個(gè)過(guò)程中不斷進(jìn)行瞬態(tài)測(cè)量，提供很小測(cè)量電流下的熱瞬態(tài)響應(yīng)曲線。在測(cè)量出的溫度差異和功率差異（用于開(kāi)關(guān)部件）（圖2）的幫助下，便可得出結(jié)構(gòu)函數(shù)（圖3）。
-- 輻射分析
熱分析對(duì)于了解發(fā)光二級(jí)管的缺陷至關(guān)重要，可用來(lái)獲得熱阻信息以及測(cè)試合適的粘結(jié)劑或熱界面材料來(lái)確保裝配后的較佳熱管理能力。但用來(lái)給發(fā)光二級(jí)管供電的總電力被轉(zhuǎn)化為熱和光。因此，如圖4所示，為了正確進(jìn)行熱分析，發(fā)光二級(jí)管產(chǎn)生的光功率應(yīng)從供給電力中減去，從而得出真正的內(nèi)部熱阻（完全基于發(fā)光二級(jí)管的熱功率）。
通過(guò)明導(dǎo)的 TERALED/T3Ster 測(cè)試硬件，也可以從測(cè)量中導(dǎo)出參數(shù)，如總光通量、總輻射通量、X、Y 和 Z 三色值，同時(shí)還可以完成一份頻譜分析。通過(guò)一種單一的綜合測(cè)量方法，可能會(huì)測(cè)出二極管特性、光功率、輻射效率、光通量、發(fā)光效率、暗視覺(jué)通量和色坐標(biāo)對(duì)電流和溫度的依賴性，并將其顯示為 LED 的驅(qū)動(dòng)電流、接面溫度或冷板溫度的一個(gè)函數(shù)（見(jiàn)圖5）。
3.根據(jù)具體電流分析 LED 的熱量和亮度
圖6顯示，通過(guò)這個(gè) LED 簡(jiǎn)化模式，你可以定義電流，然后運(yùn)用 T3Ster 數(shù)據(jù)或手動(dòng)輸入計(jì)算得出的數(shù)據(jù)（通常來(lái)說(shuō)沒(méi)有 T3Ster 數(shù)據(jù)那樣準(zhǔn)確），你可以從 T3Ster 或數(shù)據(jù)表中獲得 LED 熱特性帶來(lái)的溫度值，你還可以獲得 LED 在這個(gè)接面溫度和電流下的光通量或“熱流明”和發(fā)熱率。LED 的溫度會(huì)依據(jù)不同的電流而有所變化。這些不同的電流和溫度變化又造成了光通量的不同。
4.早期仿真加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)
5.與設(shè)計(jì)同步的計(jì)算流體力學(xué)確保對(duì)汽車 LED 系統(tǒng)進(jìn)行成功的熱管理
憑借自動(dòng)網(wǎng)格生成和其它技術(shù)，你只需對(duì)產(chǎn)品及其行為有必要的了解便能使用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)。傳統(tǒng)情況下耗時(shí)最長(zhǎng)的步驟——仿真和網(wǎng)格生成——已較大程度地縮短。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用延伸至汽車行業(yè)的很多領(lǐng)域以及其它行業(yè)。圖7顯示了原始設(shè)備制造商工程師如何成功使用這項(xiàng)技術(shù)仿真來(lái)自他們 MCAD 系統(tǒng)內(nèi)部的不同汽車應(yīng)用。
結(jié)論
當(dāng)使用Mentor Graphics的 T3Ster 和 TERALED 進(jìn)行全面的 LED 熱阻瞬態(tài)測(cè)試（包括光度和輻射測(cè)量）時(shí)，你會(huì)得出高度準(zhǔn)確和可重復(fù)的真正熱阻測(cè)量結(jié)果，并且在產(chǎn)品設(shè)計(jì)期間將這些轉(zhuǎn)換成用于計(jì)算流體力學(xué)仿真的熱阻-熱容模型。
進(jìn)行高度加速的壽命測(cè)試還能幫助你選擇在產(chǎn)品使用期內(nèi)具有高可靠性的最合適的 LED。此外，熱仿真可確保熱管理系統(tǒng)在 LED 的整個(gè)生命周期提供適宜的環(huán)境，并且較大程度地降低對(duì)質(zhì)量和性能的影響。 FloEFD 同步計(jì)算流體力學(xué)方法還通過(guò)在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行仿真加速了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，縮短了產(chǎn)品面市時(shí)間并削減了開(kāi)發(fā)與樣機(jī)設(shè)計(jì)成本。
參考
關(guān)于 Mentor Graphics
Mentor Graphics 集團(tuán)（納斯達(dá)克代碼：MENT）是電子硬件和軟件設(shè)計(jì)解決方案的全球領(lǐng)導(dǎo)者，為世界上較成功的電子和半導(dǎo)體公司提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品、咨詢服務(wù)和支持，所提供的支 持曾多次獲獎(jiǎng)。公司成立于1981年，在過(guò)去的12個(gè)月中實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入約10.15億美元。公司總部地址：8005 S.W. Boeckman Road, Wilsonville, Oregon 97070-7777（美國(guó)俄勒岡州）。官方網(wǎng)站：http://www.mentor.com 。
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