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长寿命汽车照明的散热管理策略

2020-06-11 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
对振动不敏感、使用寿命长、高能效以及对光源进行完全控制的可能性是LED应用于汽车领域的关键因素。而节能大功率LED实现的主要障碍是对其产生的热量进行管理,大功率LED的尺寸很小,需要出色的散热性能,以降低芯片的温度,从而提高效率。

对振动不敏感、使用寿命长、高能效以及对光源进行完全控制的可能性是LED应用于汽车领域的关键因素。与白炽灯泡相比,LED对机械振动不敏感,并且由于智能汽车照明系统需要符合车辆要求与环境条件,因而LED易于控制的特性使其成为这一照明系统的自然选择。然而,驱动LED以获得高效的光输出,则需要独立于电源电压的电流控制。fFkednc

LED系统设计可以从多个角度进行探讨。在PCB层,一种方法是首先定义LED结点的最高温度,因为高结点温度降低LED光发射,从而降低器件效率。汽车或卡车上使用的印刷电路必须非常可靠且高度耐用,但也必须具有成本效益。除了考虑LED光源所带来的影响外,电路板设计还必须考虑驱动器的影响。材料应力、静电放电、电场和磁场以及射频干扰都是汽车电子所必须应对的外部因素。fFkednc

PCB散热管理

节能大功率LED实现的主要障碍是对其产生的热量进行管理。随着设计技术的进步,防止器件免受热量积聚影响的需求也日益增加,进而促进了板上芯片(COB)、陶瓷热沉,以及其它针对功率LED的标准热管理的封装方案发展。大功率LED的尺寸很小,需要出色的散热性能,以降低芯片的温度,从而提高效率。fFkednc

在产品的整个生命周期中管理热阻抗的能力对于LED热管理至关重要。在各种高温应用中,封装的选择应将适当散热的能力考虑在内。特别是,方形扁平无引脚(QFN)封装为温度敏感性应用提供了低感抗特性。另一方面,LTCC封装和衬底可以保证降低介电损耗,但最重要的是,可以实现较小器件尺寸、较少的互连,从而可以降低各种无源寄生参数。fFkednc

照明

虽然热管理不容忽视,但每个LED设计还必须满足应用的性能要求和上市时间限制。最传统的热衬底——金属芯PCB(MCPCB)、氧化铝(Al2O3)和氮化铝(AlN),可以满足所有要求以及市场需求。纳米陶瓷是一种低成本的解决方案,可以满足30W/mK到170W/mK之间的市场需求。fFkednc

LED封装必须在阳极和阴极电极上设计有热垫。与其他应用于各领域的电子器件一样,随着结点温每升高10°C,LED封装的故障率就会加倍。FR4(阻燃)材料和复合环氧材料(CEM)是完美的热绝缘体,具有出色的导热性能,可实现良好的散热。fFkednc

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图1:COB LED阵列(来源:Luminus)fFkednc

板上芯片(COB)LED(图1)在市场上迅速普及。COB LED必须消耗10W/cm2的热功率,将材料的选择限制在AlN、Al2O3和MCPCB上。MCPCB采用金属基材作为散热片。金属芯通常由铝合金组成。热CLAD(TCLAD)是一种金属基电介质,表面覆有一层铜。更高的可靠性,易处理性以及出色的性价比,使得带有TCLAD的MCPCB成为传统FR4衬底的卓越替代品。fFkednc

照明驱动器

除了热管理,LED还需要驱动器IC以获得最佳照明性能。LED通常需要恒定的电流来产生一致的光输出。输出电压将取决于许多参数,如LED制造工艺和LED串联数量。工程师必须准确地预测最大输出电压,以选择最佳调节器拓扑和相应的IC用于其LED照明应用。fFkednc

汽车环境对集成调节器来说是一个挑战。环境的温度变化范围很大,也会产生很大的瞬态和输入干扰。此外,电源必须能够承受负载和卸载瞬态,尽管这种与电池相关的现象通常由单独的电路(抑制器、端子和过压保护)来管理。所有用于汽车行业的LED显示器的开关调节器和驱动器必须符合AEC-Q100标准。fFkednc

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图2:使用LMR23610ADDA的应用电路示例(来源:TI)fFkednc

德州仪器公司LMR23610ADDA是其 Simple Switcher系列的一部分,是一个采用8引脚PowerPAD封装的降压同步转换器,它使用峰值电流控制来获得简单的控制电路补偿。36V、1A同步降压调节器的输入电压范围为4.5V到36V,适用范围很广。在75μA的静态电流下,LMR23610ADDA可用于电池供电系统;超低(2μA)关断电流可进一步延长电池寿命。精确的使能输入简化了控制器控制。保护功能可防止短路损坏和因过度功耗而导致的热关断(图2)。fFkednc

德州仪器还开发了TPS92692EVM-880评估模块(EVM),用于组装完好的LED驱动器拓扑。该电路板可以配置为一个升压或升压-电池拓扑结构,为串联的单串LED供电。采用低偏移轨对轨电流传感放大器和高侧电流传感实现了精确的闭环LED电流调节。TPS92692EVM-880帮助工程师评估TI的TPS92692-Q1和TPS92692高精度LED驱动器(专为汽车照明设计)的操作和性能。fFkednc

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图3:使用NCP3065的应用电路(来源:安森美半导体)fFkednc

同时,安森美半导体还提供了NCP3065单片开关稳压器,旨在为高亮度LED提供恒定电流。该器件的输入电压高达40V,能够在12V交流电压或12V直流电压下工作,并且可以配置,以支持超过内部晶体管的1.5A标称开关电流的LED电流。NCP3065可以配置为使用最少数量的外部组件进行降压(buck)或升压(boost)转换(图3)。fFkednc

英飞凌科技的TLE4241GM集成电路是一款可调恒流驱动器,旨在为在恶劣的汽车环境条件下为LED阵列供电,从而实现一致的亮度并延长LED寿命。其保护电路可防止在过载、短路、极性反转或超温情况下损坏设备(图4)。fFkednc

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图4:TLE4241GM的框图(来源:英飞凌科技)fFkednc

车辆中LED模块的扩散对系统硬件提出了新的要求,包括小的组件尺寸、在相同或更好的热效率内提高了能效以实现高性能、连接并灵活支持多种配置的架构,以及保持LED灯特性的精确控制。fFkednc

(本文授权转载自姊妹网站《电子工程专辑》,参考原文: Thermal Management Strategies for Long-Lived Vehicle Lighting)fFkednc

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Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士头衔,也是一名电信工程师和记者。 他曾参与引力波研究领域的各种国际项目,曾与研究机构合作设计空间应用数据采集和控制系统。 他的几本著作曾在斯普林格出版社出版过,并撰写过许多关于电子设计的科学和技术出版物。
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