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汽车显示器集成的热设计方法

Innolux Corporation 是一家世界领先的TFT-LCD 显示器制造商,其客户包括众多世界领先的信息和消费类电子制造商。Innolux Corporation 在全球拥有68,000 多名员工,是全球光电子行业的领导者。Innolux 积极招募和培训研发人才以巩固其行业领导地位。Innolux 正致力于打造视觉信息娱乐系统领域的终极产品。其独有的智能管理平台不仅可增强公司的管理能力,还能为客户提供快速、准确的交付信息。


图 1. 中央信息显示器模块

Innolux Technology Europe B.V. 的工程师面临如何解决在以显示器为中心的系统集成到高端汽车后可能出现的热问题。本文的主要内容就是阐述所要实施的各项活动背后所隐藏的热设计理念。

我们已基于代码 CST Microwave 提供了一个热模型,其中包含了使用详细MCAD 数据作为输入的嵌入式热求解器。但由于该代码未求解纳维-斯托克斯方程,因此我们还是无法确定这项应用的精度。而且,它的辐射处理记录不全,这就进一步加剧了人们的疑虑。故而,我们将使用 Mentor Graphics 的 CFD 代码FloTHERM 作为数值分析的起点。

分析的主要目标是基于现有(但不太精确)的输入数据提供初始模型,从而研究该完整系统的提议是否可行,这样的结果可以作为后续与客户开展设计决策相关讨论的合理出发点。早期对可用原型进行的测试提供了与数值模型的一阶比较。在后期阶段,由于提供的热数据不精确,因此需要借助专门的测试(例如热阻和热导率及元器件热数据)来进行实验校准。其中一项重大挑战是,所设计的系统可能要在高达 70°C 的环境温度下运行,而测试却不得不在室温条件下执行。

我们开发了多个数值模型作为优化工具,其中包括:导热垫的灵敏度分析、壁厚度和热导率、PCB 热数据、边界条件、元件与外壳耦合、从导光板拆卸LED、显示器堆栈的属性,等等。这些模型还会与专门的测试进行比较,从而确定一些未知项,具体而言,就是真实场景中的边界条件和界面热阻。

为了直观了解 CFD 输出,图 2 显示了通过最热点的三个叠层结构的三幅屏幕截图。模块以垂直方式安装,显示的是总功耗为18.5W 时的内部气流。

为客户提供的结果涵盖了多种系统测试条件;代表自然对流的外表面热传递系数;含和不含辐射;不同的导热垫选择、PCB 数据、热导率变化等等,其中包括元器件温度,该温度应解释为局部焊接温度。我们还应增加由于元器件内部热阻导致的额外温度上升,但前提条件是要获得可靠的元器件热数据。

我们比较了使用 CST Microwave 和 MentorGraphics FloTHERM 创建的现有模型。经过一系列试验,在相同的输入数据和边界条件下,两个代码之间实现了合理匹配。但由于以下几个原因,我们没有继续使用 CST:

• CST 模型未求解纳维-斯托克斯方程,因此除非与已求解该方程的代码进行比较,否则结果永远是个未知数。最好还是继续使用 CFD 代码。在知道假设引起的误差的情况下,可以继续使用仅传导模式来加快灵敏度分析过程;

• CST 求解内部辐射传递的方法不够明确,且受到质疑;以及

• 关于导入 CAD 文件的问题:笔者不赞成在尝试研究热问题时使用蛮力。尽管现代工具简化了导入 CAD 文件的操作,但后续步骤并不轻松,即需要清除所有无益于热建模的机械和电气细节。现代计算机的速度非常快,因此可允许我们放置成百上千万个网格,但如此一来,其所带来的后果也将加倍:Layout 变得非常复杂,妨碍了对当前状况的即时了解;CPU 时间骤增,妨碍了快速优化。

与实验比较

对现有原型进行了多个实验。尽管笔者不建议将通用结果用于检查数值模型的精度,但在此案例中,由于已经有可用的结果,因此通过比较可以直观地了解趋势,并用其来提取实验室中的一些平均边界条件。校准边界条件后,模型和实验匹配到了 2°C 范围以内。

正常工作条件下,SOT 焊接温度高于建议的100°C,剩余的元器件显示为可接受。我们对辐射的重要性进行了测试,并发现辐射对冷却的贡献很大。如果在 LED、支架、外壳和托架之间固定一条导热垫材料,所获效果甚微;但如若在底部 PCB 与主 PCB 之间引入导热垫却能将温度降低多达 6°C,因而这一做法可视为一种有效的方法。我们发现结果(尤其是 SOT 温度)对假定的 PCB 热导率非常敏感。鉴于模型数据存在不确定性,我们引入了导热垫。

同遇到的其他许多情形一样,我们也需面对指定的最大模块或元器件“环境温度”这一问题。设计不可能实现这类“环境温度”,因为整个系统内的温度各不相同,因此元器件不会将任何一个温度视为自己的环境温度。另一大挑战是,客户无法控制环境的设计,在此案例中即为该产品的装配位置 —— 汽车仪表板,因此定义 Innolux 系统的边界条件是其客户而不是 Innolux 的责任。还有一个更好的做法,就是让供应商在其元器件或模块外部指定一个独特的点,规定在该点不得超过给定的温度。此类指定与应用无关,因而可避免出现这一问题。

图 2. 典型的流动结果(总功耗 18.5W)

使用虚拟系统的测试

理想情况下,使用虚拟系统的测试应重点处理少数几个问题,其中最重要的是复杂显示器的真实外部边界条件。由于 Layout 的复杂性,对每个细节建模是不现实的,因为它会大幅增加装配难度。不幸的是,这一原则经常被抛之脑后。确定左右真实应用的边界条件一直是个大难题,因为要获得足够的精度,用户应该对设备运行环境的大部分元素进行仿真,包括前面提到的散热器、车窗和乘员等。为避免这些问题,强烈建议指派一个包括辐射在内的热传递系数,并使用真实测量值进行校准。

导热垫

根据分析,使用导热垫或填隙料显然可以改善热性能。但请注意,应谨慎对待制造商提供的热数据,当然,导热垫数据也不例外。测试方法往往应用了过高的压力,从而产生过度优化的值。因此理想情况下,对于关键测试,应使用可精确控制压力的 Mentor GraphicsDynTIM 系统进行专门的测试。

建议

如何获取所有关键元器件的正确热数据(包括最高结温),如何确定这一方法,以及究竟如何生成 Rjc 和 Rjb 等有用的热数据,都需要研究和讨论。强烈建议要求所有关键元器件的供应商能够提供更为精确的模型。许多元器件甚至连 Rjb 和/或 Rjc 这类基本但很有用的热阻都没有提供。作为客户,尤其当您在构建高端或高可靠性系统时,您有权获得正确的数据,特别是在系统失效乃您之责时更是如此!

结论

本文的主要结论是,在已执行一些测量的前提下,给定当前耗散和假定的边界条件,可以满足估算的温度规范(在其已知的情况下)。但可以预见的是,某些情况下这些条件可能更糟,以至于自然对流根本无法阻止显示器在最高环境温度下发生过热,因此应该探索一种强制对流解决方案。不过,有了可用的系统数值模型,应该可以轻松地检查此类设计更改的后果。

在笔者看来,除非将 CFD 代码与专门的测试结合使用以确认建模所需的不确定参数,否则没有其他方法能够在现实的时间范围内得出这些结论。提高设计流程的速度和精度面临的最大阻碍是缺乏精确的系统边界条件数据,以及规定元器件最大环境温度这一广泛存在而又大错特错的习惯。