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汽车室內LED灯的散热分析技术

www.xmzfan.com点击次数:更新时间:2012-09-04【打印】【关闭】

汽车的内、外使用许多照明元件,最近几年汽车的照明元件光源也掀起LED化热潮,例如汽车的大灯与尾灯已经採用LED光源。虽然尾灯使用低功率LED,不过市场很早就出现LED尾灯製品,紧接着车用照明的LED化浪潮也开始袭捲车内灯,一般认为不久将来车内灯、地图灯、仪錶板、指示器、警告器,等车用照明光源势必全面LED化。
LED照明的课题主要是发光部的温升,极易造成光束减少、色温变化、短寿命化等性能降低现象,为防止这些现象即使车用室内灯,也要求一般LED照明同等级的效果性冷却。传统LED照明使用自然空冷时,大多使用散热鳍片等低价元件,然而设计上必须考虑的变数,例如LED的发热量、模组的设置方法、周围温度、设置空间非常多,因此试作次数有增加趋势。
最近几年为减少试作次数与实验花费的工时,在设计的上游段阶经常利用热流体模拟分析预测散热效果,以往只被当作补助性质使用的热流模拟分析,目前反而变成基本设计必要的支援工具。接着本文介绍车用LED室内灯试作品的评鑑结果,同时透过与热流模拟分析结果的比对,验证模拟分析的实用性。
散热设计
照片1是车用LED地图灯模组实际外观,它分成3大部份,中央是使用传统小灯泡的室内灯,左右则採用LED光源构成地图灯,由于地图灯的照射範围很狭窄,因此使用输出功率很低的白光LED。虽然车用LED室内灯发热量比LED大灯与尾灯小,不过设置场地是车内天花板狭窄空间,因此必须在天花板与车体之间仅有的空间进行散热。一般发热量很大的LED直接装设在散热鳍片散热,驱动电路则设置在其它地方居多,LED车内灯的场合,使用少数低输出功率LED,因此LED可以直接装设在驱动电路基板上。
 

 
图1是LED地图灯的模组结构,它是由兼具固定支架功能的散热鳍片、封装LED的电路基板、附设镜片的树脂外罩构成。本试作品使用2个接点温度Tj最大值130℃的表面封装型LED,表面封装型LED小型、散热性优秀,适合当作设置空间受限的室内灯光源使用。
 

 
LED产生的热几乎都透过热传导,通过散热鳍片内部再从散热鳍片释放到空气,封装LED的电路基板背面,设置厚1mm热传导膜片,最后再固定在铝质散热鳍片。由于密闭空间内散热不充分,因此车用室内LED灯体内部的地图灯背面设有开口部,从该开口部散热鳍片与室内灯外部空气接触进行散热。一般LED的红外线放射量非常少,如图2所示几乎所有热都是从发热部通过固体内部,再从散热鳍片释放到空气,为了抑制LED的接点温度Tj,必须减少各构成元件的热阻抗,同时作散热鳍片作最佳化设计。
 

 
本试作品的电路基板设有电阻等元件会发热,电路基板再以树脂罩盖住,包含LED在内的热,必须效率性传导至电路基板背面,电路基板使用FR4材质。
LED的热计算模型
LED的热流模拟分析工具,使用加拿大AYA Heat Transfer Technologies公司开发的「ESC/TMG」,与美国Siemens PLM Software公司开发的3次元CAD工具「I-deas」。类似LED热流模型简易形状可以利用I-deas製作,复杂元件形状的场合,必须将设计时使用的形状资料输入到I-deas,接着再组合变成热计算模型。此外为短缩模拟分析的计算时间,因此将计算模型简略化製成计算网,再赋予计算条件就能够立即执行模拟分析。
模拟分析结果检讨后需要再模拟分析时,在I-deas上可以修正计算模型的绝大部份,因此一直到执行为止作业工时非常少。进行LED热流模拟分析时,最重要是LED单体的热计算模型製作,不过几乎所有LED製品都不公开封装内部元件的尺寸,必要尺寸与各部位的形状,必须利用显微镜与断面照片观察细部。製成的LED热计算模型与实物一样阳极上装设LED晶片,热除了从阴极传递到电路基板之外,还从阳极经过封装内部传递到杨极。此处假设连接各部位的金线造成的热移动很微量,因此忽略不计。
LED内部产生的热传递到电路基板上的铜箔,再扩散到模组整体。由于一般製作的LED热计算模型都被简化,或是含有各种假设,因此必须验证模型单体。此外为提升热流模拟分析的精度,包含车内灯LED用在内,大灯与尾灯用LED都必须进行单体模型验证。本实验只设置1个LED,接着利用FR4与铜箔构成的简易电路基板进行验证,具体步骤首先使用热电耦检测LED封装的温度,接着再与模拟分析结果比较。一般LED构成的照明机器进行温度检测时,必须等待各部位温度变成一定后才开始,因此环境温度、负载电力的初期设定会产生微小变化,为进行精确比较即使模拟分析,也是比照实际检测时的环境温度、负载电力。
检测时的环境温度为25.2℃、LED的负载电力为0.33W,在此条件下,LED封装阴极侧端部的温度实测值为45.2℃,相较之下模拟分析的计算值为46.4℃,证实模型的计算精度没有问题。LED厂商提供从阴极端部位一直到接点部位热阻抗相关资料,研究人员根据这些数据与负载电力两者相乘的积,立即获得一直到接点部位为止27.1℃的温升预测结果,它是加上阴极端部位温度45.2℃之后预测Tj为72.3℃。
LED单元的验证
接着介绍车用地图灯LED单元试作品的模拟分析,此处首先製作整体的热计算模型。基板部份製作固体模型,接着製作铜箔图案与热通孔内面的镀铜层厚度低于0.1mm的2次元图,LED以外的阻抗器等热源,则定义成设置面内的既定热源。LED单元的热计算模型,微小角落与曲折部位除外,几乎完全模拟实际试作品製作,基板与散热鳍片之间插入热传导膜片,由于不考虑固定螺丝锁紧压力造成的压缩,因此厚度变成无负载状态时的1mm。
一般相异元件接触部位都会有接触热阻抗,它也是造成温昇的塬因之一,本模型的LED基板、基板–热传导膜片、热传导膜片–散热鳍片叁处变成接触面,叁处的密着性都比固体接触高,因此模拟分析时不考虑接触面的热阻抗。
虽然试作品的电路基板表面涂佈阻抗剂,不过包含LED在内电路的热,透过铜箔图案与热通孔立即传递到基板背面,因此模拟分析同样不列入考虑。如上述开发LED照明机器时,只作不含LED灯体的LED单体验证,LED产生的热几乎都是通过固体内部,再从散热鳍片表面传递到空气,不会像其它光源局部性会使产生红外线的单元本身或是灯体变热,或是热放射到外部等等。
许多情况LED灯体只是单纯的树脂容器,热容量的大小随着容积增加,其结果造成LED单元周围的空气上升温度,因此LED单元装设至灯体时的温度,可以根据LED单元灯体的检测值,或是计算值作某程度的推测。此外LED单元灯体的场合,可轻易设置热电耦等温度检测感应器,利用热座标进行温度检测。
由于电路基板上产生的热都传递到散热鳍片,因此两个LED的温度不受其它热源影响,几乎是相同值。模拟分析使用上记验证LED单元时相同的条件,每个LED的负载电力为0.31W,假设其中的85%转换变成热,包含电阻在内的总发热量为1.29W、环境温度为24.6℃。
图3是去除树脂外罩时,LED单元的温度分佈结果,图中分别记载计算值与实测值。由图可知LED的阴极部位与基板背面温度差大约3℃,热透过热通孔传递到背面,LED的阴极部位与距离最远的散热鳍片的温度差大约5℃,包含两个LED在内的实验值与计算值的差低于1℃以下,证实不论是LED单元的计算模型或是LED单体模型,计算精度都没有问题。
 

 
车内灯整体的温度评鑑
最后针对LED车内灯进行实测与模拟分析的评鑑与验证。为进行LED车内灯的温度评鑑,首先製作照片2的试验设备。车内灯嵌在车内树脂天花板内,天花板内还装设类似车体屋顶的树脂板,因此LED产生的热透过散热鳍片,释放到2片树脂板之间的空间。试验必须以各种环境温度进行,因此上记试验设备的出射光朝下放置在恆温槽内。模拟分析必须準备室内灯试验设备的计算模型,该模型模拟右侧地图灯的点灯状态,因此只将右侧模型化。此外散热时只利用散热鳍片周围,研究人员认为减小试验设备的树脂板尺寸,可以抑制计算上要求的网数,同时还省略试验设备的外框。
 

 
如上述LED室内灯的试验是将试验设备设置在恆温槽内部进行,此时为降低内部搅拌用冷却风扇造成的循环气流影响,试验设备整体以纸箱包覆检测温度,循环气流通过试验设备下方的金属网,可能会影响室内灯的温度。通常循环气流的流速为3~5m/s,本试验以接近室内进行,冷却风扇造成的循环气流影响比较小,模拟分析分别以2m/s、3m/s、4m/s一样流速为条件进行试验结果比较。
计算条件与实测条件一样,假设每个LED1的0.30W负载电力的85%转换成热,包含电阻在内的总发热量为1.27W,环境温度28.7℃。图4是试验设备中央断面的模样,相较于阴极部位的温度,相当于循环流的一样流速与散热鳍片上方的空气流速会有影响。此外必须利用模拟分析检讨搅拌用冷却风扇造成的循环气流影响。
 

 
根据图4模拟分析结果(速度向量图),研究人员调查试验设备中央断面部位,散热鳍片与树脂板(相当于车体的屋顶)挟持领域的空气速度,以及LED阴极部位的温度,环境温度与上记实验相同都是28.7℃。
实验实测的LED阴极部位温度为57.1℃,一样流速2m/s时LED阴极部位温度的计算值为58.7℃,3m/s时54.3℃,依此推测检测实测值 57.1℃时的循环空气流速,在2~3m/s之间的可能性很高。根据模拟分析结果可知,散热鳍片与树脂板的流速只有一样流速的3~4%,即使如此,它对LED阴极部位温度的影响很大,由于室内灯的树脂灯体热传导率很低,因此温度很高的领域,几乎都集中在散热鳍片周围。
根据57.1℃的阴极部位温度与0.30W得负载电力,推测LED的接点温度Tj为81.7℃,因此接点温度Tj最大许容值可以当作Tjmax,若是130℃就有48.3℃的温度,单纯计算环境温度一直到77.0℃还可以使用。此外在恆温槽试验温度有偏低检测倾向,因此适当的接点温度推测时,必须慎重考虑此问题。
结语
本文已介绍了车用LED室内灯试作品的热流模拟分析技术。汽车的照明光源正在进行LED化革命,然而要在车内天花板狭窄空间进行自然空冷散热,以往只被当作补助性质使用的热流模拟分析,目前反而变成基本设计必要的支援工具。因此一般认为未来设计段阶透过热流模拟分析,根本性解决问题的手法势必成为主流。
 

关键词:汽车室內,LED灯,散热分析

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