實現長效車用照明的熱管理策略

作者 : Maurizio di Paolo Emilio,EE Times Europe

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應用於汽車領域的關鍵因素。而節能大功率LED實現的主要障礙是對其產生的熱量進行管理,大功率LED的尺寸很小,需要出色的散熱性能,以降低晶片的溫度,從而提高效率。

對振動不敏感、使用壽命長、高能效以及可對光源進行完全控制——這些都是LED應用於汽車領域的關鍵因素。相較於白熾燈泡,LED由於對機械振動不敏感,加上其易於控制的特性,使其成為智慧汽車照明系統因應車輛要求與環境條件時的自然選擇。然而,驅動LED以獲得高效率的光輸出,則需要獨立於電源電壓的電流控制。

LED系統的設計可以從多個角度進行探討。在電路板(PCB)層級,一種方法是先定義LED結點的最高溫度,因為高結點溫度可降低LED光發射,從而降低元件效率。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光源帶來的影響外,PCB的設計還必須考慮驅動器的影響。材料應力、靜電放電、電場和磁場以及射頻(RF)干擾都是汽車電子必須面對的外部因素。

PCB熱管理

實現節能且高功率LED的主要障礙是對其所產生的熱量進行管理。隨著設計技術的進步,保護元件免受熱積聚影響的需求也日益增加,進而促進了板載晶片(COB)封裝、陶瓷基板—次黏著技術(submount),以及其它針對功率LED標準熱管理的封裝方案發展。高功率LED的尺寸很小,需要出色的散熱性能,以降低晶片的溫度,從而提高效率。

在產品的整個生命週期(PLC)中管理熱阻抗的能力,對於LED熱管理至關重要。在各種高溫應用中,封裝的選擇應適當地考慮散熱的能力。特別是,方形平面無接腳(QFN)封裝為溫度敏感型應用提供了低感抗特性。另一方面,採用低溫共燒陶瓷(LTCC)封裝和基底可以確保降低介電損耗,但最重要的是,可以實現較小元件尺寸、較少的互連,從而降低各種被動寄生參數。

LED照明設計

 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。最傳統的熱基底——金屬芯PCB (MCPCB)、氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN),可以滿足所有要求以符合市場需求。奈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一種散熱墊。與其他應用於各領域的電子元件一樣,隨著結點溫度每升高10℃,LED封裝的故障率就會加倍。FR4 (阻燃型)材料和複合環氧材料(CEMS)是完美的熱絕緣體,具有出色的導熱性能,可實現良好的散熱。

圖1:COB LED陣列。(來源:Luminus)

COB LED (圖1)在市場上迅速普及。COB LED必須耗散10W/cm2的熱功率,這使得材料的選擇受限於AlN、Al2O3和MCPCB。MCPCB採用金屬基材作為散熱片。金屬芯通常由鋁合金組成。熱包層電介質材料(TCLAD)是一種表面以銅層包覆的金屬電介質,具有更高的可靠性,易於處理的特性以及出色的性價比,使得帶有TCLAD的MCPCB成為傳統FR4基底的理想替代方案。

照明驅動器

 除了熱管理,LED還需要驅動器IC以獲得最佳照明性能。LED通常需要恒定的電流來產生一致的光輸出。輸出電壓將取決於許多參數,如LED製造製程和LED串聯數量。工程師必須準確地預測最大輸出電壓,以選擇最佳穩壓器拓撲以及用於其LED照明應用的相應IC。

汽車環境對整合穩壓器來說是一項挑戰。環境的溫度變化範圍很大,也會產生高度的瞬態和輸入干擾。此外,電源必須能夠承受負載和卸載瞬態,儘管這種與電池相關的現象通常由單獨的電路(抑制器、端子和過壓保護)來管理。所有用於汽車LED顯示器的開關穩壓器和驅動器都必須符合AEC-Q100標準。

圖2:使用TI LMR23610ADDA的應用電路示例。(來源:TI)

德州儀器(Texas Instruments;TI)的LMR23610ADDA是其Simple Switcher系列的一部分,這是一個採用8接腳PowerPAD封裝的同步降壓轉換器,透過峰值電流控制來獲得簡單的控制電路補償。36V/1-A同步降壓穩壓器的輸入電壓範圍為4.5V~36V,適用範圍很廣。在75μA的靜態電流下,LMR23610ADDA可用於電池供電系統;超低(2μA)的關斷電流可進一步延長電池續航力。精確的使能輸入簡化了控制器的控制。保護功能可防止短路損壞,以及由於過度功率耗散而導致的熱關斷(圖2)。

德州儀器還開發了TPS92692EVM-880評估模組(EVM),用於完整組裝的LED驅動器拓撲。該電路板可以配置為一個升壓或升壓-電池拓撲結構,為串聯的單串LED供電。採用低偏移軌對軌電流感測放大器和高側電流感測實現了精確的閉路LED電流穩壓。TPS92692EVM-880可協助工程師評估TI TPS92692-Q1和TPS92692高精度LED驅動器(專為車用照明設計)的操作和性能。

同時,安森美半導體(ON Semiconductor)提供了NCP3065單晶片開關穩壓器,旨在為高亮度LED提供恒定電流。該元件的輸入電壓高達40V,能夠在12V交流電壓(VAC)或12V直流電壓(VDC)下運作,並且可配置以支援超過內部電晶體1.5A標稱開關電流的LED電流。NCP3065可以配置為使用最少數量的外部元件進行降壓或升壓轉換(圖3)。

圖3:使用NCP3065的應用電路。(來源:ON Semiconductor)

英飛凌科技(Infineon Technologies)的TLE4241GM IC是一款可調的恒流驅動器,專為在惡劣汽車環境條件下為LED陣列供電而設計,從而實現一致的亮度並延長LED壽命。其保護電路可防止在超載、短路、極性反轉或過溫情況下對於裝置造成損壞(圖4)。

圖4:TLE4241GM的方塊圖。(來源:Infineon Technologies)

LED模組在車輛中的普及對於系統硬體提出了新的要求,包括更小的元件尺寸、在相同或更好的熱效率下提高能效,以實現高性能、連接且靈活支援多種配置的架構,以及保有LED燈特性的精確控制。

(本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年6月號;參考原文: Thermal Management Strategies for Long-Lived Vehicle Lighting)

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