長壽命車輛照明的熱管理策略

對(duì)振動(dòng)不敏感、壽命長、能效高以及可以完全控制光源是 LED 在車輛中應(yīng)用的關(guān)鍵因素。與白熾燈泡相比，LED 對(duì)機(jī)械振動(dòng)不敏感，而 LED 的易控制性使其成為適應(yīng)車輛要求和環(huán)境條件的智能汽車照明系統(tǒng)的自然選擇。然而，驅(qū)動(dòng) LED 以獲得高效的光輸出需要獨(dú)立于電源電壓的電流控制。

LED 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以從多個(gè)角度進(jìn)行。在 PCB 級(jí)別，一種方法是首先定義 LED 結(jié)的最高溫度，因?yàn)楦呓Y(jié)溫會(huì)降低 LED 光發(fā)射，從而影響設(shè)備的效率。汽車或卡車中使用的印刷電路必須高度可靠且使用壽命長，但還必須具有成本效益。除了考慮 LED 光源施加的條件外，電路板設(shè)計(jì)還必須適應(yīng)驅(qū)動(dòng)器存在所施加的限制。材料應(yīng)力、靜電放電、電場和磁場以及射頻干擾是車輛電子設(shè)備受到的條件之一。

PCB 熱管理

實(shí)施節(jié)能、高功率 LED 的主要障礙是管理它們產(chǎn)生的熱量。設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步不斷增加了保護(hù)組件免受熱量積聚的需求，促進(jìn)了板上芯片 (COB)、陶瓷底座和其他用于功率 LED 標(biāo)準(zhǔn)熱管理的熱效率封裝解決方案的開發(fā)。大功率 LED 構(gòu)建在小外形尺寸上，需要出色的散熱來降低芯片溫度，從而提高效率。

在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)管理熱阻抗的能力對(duì)于 LED 熱管理至關(guān)重要。在各種高溫應(yīng)用中，封裝選擇涉及適當(dāng)散熱的能力。特別是，方形扁平無引線 (QFN) 封裝可為溫度關(guān)鍵應(yīng)用提供低電感。另一方面，低溫共燒陶瓷 (LTCC) 封裝和基板可確保降低介電損耗，但最重要的是提供了獲得小尺寸器件的可能性，互連更少，因此減少了各種無源寄生因素。

燈光

盡管熱管理不容忽視，但每個(gè) LED 設(shè)計(jì)還必須滿足應(yīng)用的性能要求和上市時(shí)間限制。最傳統(tǒng)的熱基板 - 金屬芯 PCB (MCPCB)、氧化鋁 (Al2O3) 和氮化鋁 (AlN) - 滿足滿足市場需求的所有要求。納米陶瓷是一種低成本解決方案，可滿足 30 W/mK 至 170 W/mK 之間的市場需求。

LED 封裝的陽極和陰極電極必須設(shè)計(jì)有導(dǎo)熱墊。與應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的其他電子元件一樣，結(jié)溫每升高 10°C，LED 封裝的故障率就會(huì)增加一倍。FR4（阻燃）材料和復(fù)合環(huán)氧樹脂材料 (CEM) 是完美的絕熱材料，具有出色的導(dǎo)熱性，可實(shí)現(xiàn)出色的散熱。

圖 1：COB LED 陣列

板上芯片 (COB) LED（圖 1）在市場上迅速普及。COB LED 必須耗散 10 W/cm2 的熱功率，因此材料的選擇僅限于 AlN、Al2O3 和 MCPCB。MCPCB 采用金屬基材作為散熱器。金屬芯通常由鋁合金組成。Thermal CLAD (TCLAD) 是一種金屬基電介質(zhì)，上面涂有一層銅。更高的可靠性、易于加工和卓越的性價(jià)比使帶有 TCLAD 的 MCPCB 成為傳統(tǒng) FR4 基板的卓越替代品。

照明驅(qū)動(dòng)器

除了熱管理之外，LED 還需要 IC 驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)最佳照明性能。LED 通常需要恒定電流來產(chǎn)生一致的光輸出。輸出電壓將取決于許多參數(shù)，例如 LED 制造工藝和串聯(lián) LED 的數(shù)量。工程師必須準(zhǔn)確預(yù)測(cè)最大輸出電壓，才能為其 LED 照明應(yīng)用選擇最佳穩(wěn)壓器拓?fù)浜拖鄳?yīng)的 IC。

汽車環(huán)境對(duì)集成穩(wěn)壓器來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。環(huán)境的溫度范圍很廣，還會(huì)產(chǎn)生高水平的瞬變和輸入干擾。此外，電源必須能夠承受加載和卸載瞬變，盡管這種與電池相關(guān)的現(xiàn)象通常由單獨(dú)的電路（抑制器、端子和過壓保護(hù)）管理。用于汽車領(lǐng)域的 LED 顯示器的所有開關(guān)穩(wěn)壓器和驅(qū)動(dòng)器都必須符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)。

圖 2：使用 LMR23610ADDA 的應(yīng)用電路示例

Texas Instruments 的 LMR23610ADDA 是 Simple Switcher 系列的一部分，是一款采用 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(bǔ)償。36V、1A 同步降壓穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍為 4.5V 至 36V，適用于廣泛的應(yīng)用。LMR23610ADDA 的靜態(tài)電流為 75 μA，可用于電池供電系統(tǒng)；超低 (2μA) 關(guān)斷電流可以進(jìn)一步延長電池壽命。精密使能輸入簡化了控制器控制。保護(hù)功能可防止因功耗過大造成的短路損壞和熱關(guān)斷（圖 2）。

德州儀器 (TI) 還為完全組裝的 LED 驅(qū)動(dòng)器拓?fù)溟_發(fā)了 TPS92692EVM-880 評(píng)估模塊 (EVM)。該板可配置為升壓或升壓至電池拓?fù)?，為串?lián)連接的單串 LED 供電。精確的閉環(huán) LED 電流調(diào)節(jié)是使用低偏移軌到軌電流感測(cè)放大器和高側(cè)電流感測(cè)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)的。TPS92692EVM-880 可幫助工程師評(píng)估 TI 專為汽車照明設(shè)計(jì)的 TPS92692-Q1 和 TPS92692 高精度 LED 驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行和性能。

審核編輯：郭婷