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長壽命汽車照明的散熱管理策略

發(fā)布時間:2020-06-12 責任編輯:lina

【導讀】對振動不敏感、使用壽命長、高能效以及對光源進行完全控制的可能性是LED應用于汽車領域的關鍵因素。而節(jié)能大功率LED實現(xiàn)的主要障礙是對其產(chǎn)生的熱量進行管理,大功率LED的尺寸很小,需要出色的散熱性能,以降低芯片的溫度,從而提高效率。
  
對振動不敏感、使用壽命長、高能效以及對光源進行完全控制的可能性是LED應用于汽車領域的關鍵因素。與白熾燈泡相比,LED對機械振動不敏感,并且由于智能汽車照明系統(tǒng)需要符合車輛要求與環(huán)境條件,因而LED易于控制的特性使其成為這一照明系統(tǒng)的自然選擇。然而,驅(qū)動LED以獲得高效的光輸出,則需要獨立于電源電壓的電流控制。
 
LED系統(tǒng)設計可以從多個角度進行探討。在PCB層,一種方法是首先定義LED結(jié)點的最高溫度,因為高結(jié)點溫度降低LED光發(fā)射,從而降低器件效率。汽車或卡車上使用的印刷電路必須非常可靠且高度耐用,但也必須具有成本效益。除了考慮LED光源所帶來的影響外,電路板設計還必須考慮驅(qū)動器的影響。材料應力、靜電放電、電場和磁場以及射頻干擾都是汽車電子所必須應對的外部因素。
 
PCB散熱管理
節(jié)能大功率LED實現(xiàn)的主要障礙是對其產(chǎn)生的熱量進行管理。隨著設計技術(shù)的進步,防止器件免受熱量積聚影響的需求也日益增加,進而促進了板上芯片(COB)、陶瓷熱沉,以及其它針對功率LED的標準熱管理的封裝方案發(fā)展。大功率LED的尺寸很小,需要出色的散熱性能,以降低芯片的溫度,從而提高效率。
 
在產(chǎn)品的整個生命周期中管理熱阻抗的能力對于LED熱管理至關重要。在各種高溫應用中,封裝的選擇應將適當散熱的能力考慮在內(nèi)。特別是,方形扁平無引腳(QFN)封裝為溫度敏感性應用提供了低感抗特性。另一方面,LTCC封裝和襯底可以保證降低介電損耗,但最重要的是,可以實現(xiàn)較小器件尺寸、較少的互連,從而可以降低各種無源寄生參數(shù)。
 
照明
雖然熱管理不容忽視,但每個LED設計還必須滿足應用的性能要求和上市時間限制。最傳統(tǒng)的熱襯底——金屬芯PCB(MCPCB)、氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN),可以滿足所有要求以及市場需求。納米陶瓷是一種低成本的解決方案,可以滿足30W/mK到170W/mK之間的市場需求。
 
LED封裝必須在陽極和陰極電極上設計有熱墊。與其他應用于各領域的電子器件一樣,隨著結(jié)點溫每升高10°C,LED封裝的故障率就會加倍。FR4(阻燃)材料和復合環(huán)氧材料(CEM)是完美的熱絕緣體,具有出色的導熱性能,可實現(xiàn)良好的散熱。
 
 
 長壽命汽車照明的散熱管理策略
圖1:COB LED陣列(來源:Luminus)
 
板上芯片(COB)LED(圖1)在市場上迅速普及。COB LED必須消耗10W/cm2的熱功率,將材料的選擇限制在AlN、Al2O3和MCPCB上。MCPCB采用金屬基材作為散熱片。金屬芯通常由鋁合金組成。熱CLAD(TCLAD)是一種金屬基電介質(zhì),表面覆有一層銅。更高的可靠性,易處理性以及出色的性價比,使得帶有TCLAD的MCPCB成為傳統(tǒng)FR4襯底的卓越替代品。
 
照明驅(qū)動器
除了熱管理,LED還需要驅(qū)動器IC以獲得最佳照明性能。LED通常需要恒定的電流來產(chǎn)生一致的光輸出。輸出電壓將取決于許多參數(shù),如LED制造工藝和LED串聯(lián)數(shù)量。工程師必須準確地預測最大輸出電壓,以選擇最佳調(diào)節(jié)器拓撲和相應的IC用于其LED照明應用。
 
汽車環(huán)境對集成調(diào)節(jié)器來說是一個挑戰(zhàn)。環(huán)境的溫度變化范圍很大,也會產(chǎn)生很大的瞬態(tài)和輸入干擾。此外,電源必須能夠承受負載和卸載瞬態(tài),盡管這種與電池相關的現(xiàn)象通常由單獨的電路(抑制器、端子和過壓保護)來管理。所有用于汽車行業(yè)的LED顯示器的開關調(diào)節(jié)器和驅(qū)動器必須符合AEC-Q100標準。
 
長壽命汽車照明的散熱管理策略
圖2:使用LMR23610ADDA的應用電路示例(來源:TI)
 
德州儀器公司LMR23610ADDA是其 Simple Switcher系列的一部分,是一個采用8引腳PowerPAD封裝的降壓同步轉(zhuǎn)換器,它使用峰值電流控制來獲得簡單的控制電路補償。36V、1A同步降壓調(diào)節(jié)器的輸入電壓范圍為4.5V到36V,適用范圍很廣。在75μA的靜態(tài)電流下,LMR23610ADDA可用于電池供電系統(tǒng);超低(2μA)關斷電流可進一步延長電池壽命。精確的使能輸入簡化了控制器控制。保護功能可防止短路損壞和因過度功耗而導致的熱關斷(圖2)。
 
德州儀器還開發(fā)了TPS92692EVM-880評估模塊(EVM),用于組裝完好的LED驅(qū)動器拓撲。該電路板可以配置為一個升壓或升壓-電池拓撲結(jié)構(gòu),為串聯(lián)的單串LED供電。采用低偏移軌對軌電流傳感放大器和高側(cè)電流傳感實現(xiàn)了精確的閉環(huán)LED電流調(diào)節(jié)。TPS92692EVM-880幫助工程師評估TI的TPS92692-Q1和TPS92692高精度LED驅(qū)動器(專為汽車照明設計)的操作和性能。
 
長壽命汽車照明的散熱管理策略
圖3:使用NCP3065的應用電路(來源:安森美半導體)
 
同時,安森美半導體還提供了NCP3065單片開關穩(wěn)壓器,旨在為高亮度LED提供恒定電流。該器件的輸入電壓高達40V,能夠在12V交流電壓或12V直流電壓下工作,并且可以配置,以支持超過內(nèi)部晶體管的1.5A標稱開關電流的LED電流。NCP3065可以配置為使用最少數(shù)量的外部組件進行降壓(buck)或升壓(boost)轉(zhuǎn)換(圖3)。
 
英飛凌科技的TLE4241GM集成電路是一款可調(diào)恒流驅(qū)動器,旨在為在惡劣的汽車環(huán)境條件下為LED陣列供電,從而實現(xiàn)一致的亮度并延長LED壽命。其保護電路可防止在過載、短路、極性反轉(zhuǎn)或超溫情況下?lián)p壞設備(圖4)。
 
長壽命汽車照明的散熱管理策略
圖4:TLE4241GM的框圖(來源:英飛凌科技)
 
車輛中LED模塊的擴散對系統(tǒng)硬件提出了新的要求,包括小的組件尺寸、在相同或更好的熱效率內(nèi)提高了能效以實現(xiàn)高性能、連接并靈活支持多種配置的架構(gòu),以及保持LED燈特性的精確控制。
 
(轉(zhuǎn)載自:EDN電子技術(shù)設計)

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