散熱管理

不言可喻，此趨勢浮現許多必須克服的技術障礙，尤其是如何應對不斷攀升的熱密度。散熱管理從前被認為只是設計過程中最後一個考量的因素，但現正成為需要搏得更多關注的基本要素。在本文中將先研究散熱管理相關問題，進而重點介紹有助於設計師採最小空間實現最大限度散熱的具體創新技術。 通常情況下，散熱管理實施不會在設計早期就得到解決，而是保留到最後一分鐘，主要是透過簡單添加散熱片或風扇處理，以達到可接受結果。由於系統功率需求通常在設計完成之前才會最終確定，上述做法在某種程度上可以理解，但現代產品開發流程則要求對散熱特性給予高優先順序考量。 幾乎所有現代電子設計皆被寄望增加更多功能，並減少設備尺寸及重量；無論是行動裝置、伺服器或無人駕駛飛行器/無人機等皆是。這些產品的核心半導體晶片仰賴新的製程，具更高能效，進而產生更少熱量。此外，採用智慧電源管理系統還可充分利用電源電能，例如在平常多數時間關閉周邊設備僅在實際需要時才開啟電源。然而在許多設計中，還是需要強制性的某種形式散熱管理，這將涉及使用散熱器或類似散熱機構。 使用散熱器時，有兩個關鍵考量因素： 1.將散熱器與生熱裝置進行散熱連接，確保高水準傳熱。 2.最大化散熱器單位體積的表面積，使其更高效散熱，不會增加PCB占位面積或厚度。 填充間隙以改進散熱性能 為了能高效散熱，在發熱點(通常是半導體接面)和周圍環境間必須有良好散熱通道，以消耗多餘熱量。在半導體元件中，從接面到外殼的散熱路徑由製造商最佳化。潛在的薄弱環節是散熱器實際連接到設備主體之處。雖然這兩個接合面肉眼看來可能是平的，但通常會有一些翹曲，尤其是在較大的散熱片中，且每個表面都有微孔(包含小的氣穴)。由於空氣是絕緣體，因此這些微孔應填充更好的導熱材質，進而改進傳熱並消除可能熱點。有許多材質可實現，包括液體、油脂及襯墊。 然而，最方便的高性能解決方案之一是Bergquist的Gap Pad技術，有許多類型襯墊用於不同應用，Gap Pad 5000S35為增強型玻璃纖維填料和聚合物襯墊，具有特別高的熱傳導係數(Thermal Conductivity)。兩側固有的自然黏性有助於將材質應用於表面，允許產品有效填充氣隙以增強整體散熱(圖1)。 圖1　Bergquist的間隙墊有助於顯著提高散熱性能。 這種軟性材質具5W/m-k的高熱傳導係數，可在保持架構完整性時，將襯墊應用於複雜和苛刻輪廓，而不會對易碎的元件引線施加任何應力。增強型玻璃纖維材質便於處置，同時提高抗撕裂性，並將電氣絕緣提高到5000VAC以上。Gap Pad以板材形式提供，也可以提供模切以適合標準設備輪廓。 其他材質也可提供，如Gap Pad EMI 1.0，同樣出自Bergquist，不僅提高熱傳導係數，還可吸收電磁能量，有助於降低電磁干擾(EMI)影響。 微孔架構改進散熱功能 散熱器有多種尺寸和形狀可供選擇，通常設計為適合標準半導體封裝，尤其適合功率元件外形。許多公司委託客制散熱器設計，如果在初始設計流程中沒有解決熱管理問題，不是適合特定應用，就是允許將散熱器安裝到剩餘可用空間。 雖然許多散熱器可與強制空氣冷卻組合使用，以最大限度提高性能，但此方法可能存在缺陷。近年來由於設計及材質改進，以及新驅動技術出現，風扇壽命有所延長；然而與固態電子元件相比，工作壽命仍然相對較短。如果沒有足夠過濾，風扇會將灰塵吸入設備，而導致過早故障。因此，工程師通常傾向被動冷卻，但前提是可達足夠高散熱性能。 總體而言，用於被動冷卻的散熱器體積大且笨重，以便毋須使用強制空氣時也能提供足夠冷卻來散熱。然而，來自Versarien公司的創新材質使被動式散熱器外形尺寸較傳統材質小。由利物浦大學開發的VersarienCu能夠模擬自然界中常見架構，構建具有精細、開放、相互連接微孔的金屬材質，適用於熱傳導應用，可提供達6℃/W的散熱器性能，超越同樣尺寸的傳統散熱器。此外，其固體銅泡沫塗覆有薄硬的高溫氧化銅層，提升熱輻射率、改進熱輻射，於小空間實現更多冷卻。 散熱管理為當代設計流程核心，因尺寸更小、功能更強的設備會產生更多熱量，但卻沒有足夠空間散發熱量。新材質技術將與半導體製程同步運作，滿足尺寸更緊湊、功能更集中的電子設備硬體不斷提高的需求。 (本文作者任職於貿澤電子)

當時路上車輛較少、行車速度較慢，偶爾還須閃避馬和馬車，這種行車方式也還算過得去，但這些年來已進步許多，包括： ．車輛照明從煤油燈進化到白熾燈泡、發光二極體(LED)和有機LED(OLED)，提供了更可靠、更有效率的照明光源。    ．車輛為特定照明功能所安裝的照明光源數量也從單一燈泡增加為多像素化設計。                                                    ．可變照明讓駕駛能夠更有效地溝通想採取的動作，使整體行車變得更加安全。 ．外部照明可提供有型且符合個人化目的之功能與型式。                          ．電磁干擾(EMI)相容性。 ．故障偵測和防護。 ．電子照明控制模組可實現法規要求的訊號功能，並可提供傳統靜態以外的動態功能，包含個人化的歡迎駕駛訊息(例如迎賓燈)。 ．隨著後車燈系統越來越複雜，來自光學、機械、電子與製造領域的工程師在設計新系統時都面臨了新挑戰。 由於現代化的後車燈的解決方案，其他駕駛在各種環境下的行為變得更容易預測，也讓行車變得更安全。在此白皮書中，我們會將重點放在電子挑戰上，並研究可能的解決方案來加以克服。這些挑戰包括： ．更高的電源需求。 ．散熱管理。 ．電磁干擾(EMI)相容性。 ．故障偵測和防護。 在討論LED與電氣拓撲前，先來看看美國國家公路交通安全管理局和歐洲經濟委員會等主管機關，在法律上強制規定的各種訊號功能，如圖1所示。 圖1　後側照明系統元件 如圖1說明，汽車必須具備許多必要的後側訊號功能，這些功能都須要透過控制模組來執行。圖2是典型後側照明控制模組的配置圖，說明所有後側照明功能、電源供應器、通訊介面與LED驅動器子系統。 圖2　後側照明控制模組配置圖 後車燈LED基礎介紹 LED是啟動時會發光的P-N接面二極體。如同任何P-N接面二極體，LED是具備指數順向電流順向電壓(I-V)曲線的單向裝置，如圖3所示。 圖3　LED I-V曲線。 資料來源: http://lednique.com/current-voltage-relationships/ iv-curves/ 極端子間施加正極電壓，電流便會從陽極流至陰極，使LED發光。在陽極和陰極間施加的電壓稱為LED順向電壓，通常會在額定電流條件下進行測量。通過LED的順向電流越高，LED燈就越明亮，LED順向電壓也越高。不同顏色LED的順向電壓也不同。多數紅色和黃褐色LED的順向電壓為2V左右，白色LED的順向電壓則約是3V。 LED 照明光源優點 與白熾燈泡相比，LED的主要優點是其為較有效率的照明光源。照明光源的效率以每瓦特流明量來測量，代表每單位消耗電力的發光量。 一般來說，LED光源效率比白熾燈泡高出六倍(圖4)。 圖4　LED燈源與白熾燈泡的效率比較。 資料來源: https://commons.wikimedia.org/wiki/檔案：Electricity_use_by_lightbulb_type.svg LED不僅比傳統白熾燈泡有效率，燈泡壽命更是白熾燈泡的近42倍，並可輕鬆融入各種風格設計。傳統白熾燈每幾年就須更換，使用壽命通常只有1,200小時左右。LED的使用壽命可長至50,000小時以上，因此汽車LED燈不須更換即可提供比車輛整體更長的使用壽命。 從點式到表面式　LED車燈形狀多變 因為圓形燈殼的關係，傳統白熾燈有固定的形狀。LED照明光源的體積較小，代表汽車車燈形狀不一定需為傳統圓形。若使用多個LED，車燈設計就能有更多彈性，滿足各種實體設計需求；但在後車燈使用LED會以點狀視覺效果呈現。 由於LED燈輸出和照明方向十分容易控制，因此最新的後車燈運用多種光學方法，將點狀照明光源轉為表面式照明光源。 使用光導和擴散片是達成此轉換最常見的方法，但這種方法會降低光學效率，因此須採用高亮度LED或較多LED，以提升 LED亮度。 LED設計目標與挑戰 LED雖然有很多優點，但使其符合汽車規格的過程中也須面臨許多挑戰。汽車 LED 驅動器需求通常包含： ．廣泛的電壓範圍，必須兼顧9到16V、24V和40V情況。 ．操作環境溫度範圍需為-40℃~85℃。 ．產生動態車燈特性。 ．LED故障診斷。 ．電磁相容性(EMC)。 滿足汽車廣泛電壓範圍 LED驅動器設計必須能夠在汽車12V電瓶的廣泛電壓範圍中運作。在國際標準化組織(ISO)7637和ISO16750標準中，有說明LED驅動器必須承受的最常見汽車業12V電瓶電壓暫態要求。 汽車電瓶在正常運作情況下通常為9到16V。在此範圍中，照明輸出必須在所有溫度條件下符合所需法規要求。最近有一些車燈功能可在汽車電瓶電壓為6V時(車輛起止時的一般電壓)執行，例如方向燈。請注意，車輛起止時的啟動電壓分布會隨電瓶狀況和溫度而不同。當供應電壓低於6V時，後車燈通常不須保持運作狀態。但在室溫下進行跨接啟動時，電瓶電壓可上升至24V並維持一分鐘。 車燈功能必須能承受任何損害，並於恢復正常電壓時復原。當發生負載突降，電瓶會在交流發電機產生充電電流時中斷連接，其他負載則維持在交流發電機電路中。在此情況下，供應電壓在交流發電機受到抑制時最高可飆到36V並持續400ms。若發生負載突降，LED驅動器必須能夠於恢復正常電壓時復原。 散熱考量為基本要素 汽車應用必須能夠承受很大的溫度範圍。且車燈電路須在高達85℃的環境溫度下運作。此最高溫度包含因封閉燈自熱所造成的燈殼溫度上升。高環境溫度代表 LED後側燈面臨兩個挑戰：控制LED和 LED驅動器的接點溫度。 若接點溫度超過最高上限，就會使LED使用壽命大幅下降。若LED驅動器為定電流驅動器，公式1可根據環境溫度、熱電阻和功率消耗量，概略估計LED接點溫度的上升幅度，其中θja為封裝熱電阻，P為功率消耗。 T接點=T環境+θjaP     公式(1) LED驅動器也須處理熱考量。由於後車燈採用的定電流驅動器多為線性LED驅動器積體電路(IC)，公式2將驅動器的壓降乘上總電流，來估計LED驅動器IC的功率消耗。其中∆V是LED驅動器的電壓，I是LED順向電流。 P= ∆V*I    公式(2) 若輸入電壓為正常最大運作電壓(例如16V)，而輸出LED電壓為最小運作電壓(例如各具1.9V順向電壓的兩個LED)，最大環境溫度將會是85℃。一般線性LED驅動器在裝置中必須具備2W功率消耗，才能滿足汽車應用。透過公式1和2，即可利用θja估計最大LED電流。 獨立驅動LED像素實現彈性設計 動態後車燈可提供彈性的設計風格選擇，並提供迎賓訊息等個人化功能。隨著新車燈設計採用複雜動態，後車燈設計也從LED串列轉為獨立驅動LED像素。圖5說明從串列LED控制到獨立像素控制的轉換過程。 圖5　以單一LED驅動器控制LED串列與獨立控制各LED。 單一像素控制架構需要更精密的LED驅動與控制方式。目前多數後車燈皆採用微控制器通用輸入/輸出，或使用序列周邊介面或I2C等簡易介面，但如果車燈設計範圍包含整個車輛後側，簡單的介面架構可能無法滿足這類大型後車燈的需求。像素化LED控制可能需要更複雜的數位介面架構，如圖6所示。這些系統中的通訊介面必須符合EMC標準，並且不能產生通訊誤差。 圖6　像素化後側照明的數位介面LED驅動模組架構 LED故障診斷確保車燈運作正常 汽車車燈在使用壽命期間必須符合相關照明輸出規定。但LED也容易發生故障。雖然LED的預期使用壽命比車輛最高運作時數長出許多，但LED仍易受到隨機故障影響。80%的隨機LED故障為開路故障，另外不到20%為短路故障。 偵測傳統白熾燈泡型車燈故障十分容易，因為故障燈泡會整個熄滅。以LED為基礎的車燈在多個串列中使用多個LED，由於非故障的LED會繼續運作，因此並不容易偵測到單一LED開路故障或短路。 在單一LED串列中偵測LED開路相對較為簡單，單一LED短路則較不易判斷。以三串列LED為例。若發生單一LED短路，簡易LED驅動器並無法區別三串列LED與雙串列LED。由於法規要求車燈輸出的前200ms必須達特定亮度，因此在動態方向燈上偵測此類故障是非常重要的。只要發生一個LED短路，車燈便無法符合亮度要求，因此必須透過精密的故障偵測技術來達到「一組故障全部故障」效果。換句話說，只要單一LED故障就會讓整個車燈熄滅。 另外，現在許多車輛重新將後擋玻璃除霧器作為天線使用，或者在車頂另外使用獨立天線。為了避免與天線產生干擾，汽車後車燈的EMC要求非常嚴格。因此LED驅動器必須具備低放射與高抗擾性。在後側照明使用線性LED驅動器可簡化EMC後側照明設計。通常會以國際無線電干擾特別委員會(CISPR)25等排放標準，以及ISO 11452-5大電流注入標準等抗擾性標準來測試後車燈系統。 除此之外，後側照明LED驅動器拓撲為單級或雙級。圖7中的單級拓撲採用單一線性LED驅動器，圖8中的雙級拓撲則使用電壓穩壓器和LED驅動器。 圖7　單級LED驅動器 圖8　雙級LED驅動器 線性LED驅動器可能的電路拓撲為離散電路、電阻器與電晶體，如圖9所示。公式3為計算LED電流的方式： 圖9　離散LED驅動器 ILED = Vin–Vf(LED) 公式(3) 此電路雖然執行容易，但也有許多缺點。由於LED I-V特性和溫度變化，LED電流並不固定。此外，電路並無診斷功能。最後，管理電路中的熱能必須執行電阻器和電晶體並聯，將元件中的功率消耗隔離，避免單一元件因過熱而故障。 與離散LED驅動器相比，LED驅動器IC有許多優點。驅動器IC在任何輸入電壓下都可產生定電流，並可執行內部診斷以達「一組故障全部故障」效果。驅動器IC也會執行熱保護機制特性，當LED溫度超出特定限制，便會減少LED中的電流。減少LED電流會減少功率消耗，減緩接點溫度上升速度(參考公式1)，進而避免造成 LED損害。 後車燈通常採用線性LED驅動器，高電流應用有時則會使用單級切換LED驅動器。執行時EMC挑戰會增加，並且需要展頻等創新技術來減少放射。 兩種車燈調光方式 在須要進行尾燈或煞車燈調光的情況下，LED設計人員會採用兩種方式：類比調光和數位調光。類比調光可減少LED中的電流，進而減少光輸入，達到調光目的。數位調光(又稱為脈衝寬度調變(PWM)調光)利用PWM來進行LED驅動器輸出電流與零電流間的電流調變。因此會降低平均光輸出，產生經過調光的輸出。 類比調光可做為調光方式及提升設計同質性的方法，透過校驗各LED中的電流來達到一致光度。但由於LED是在額定電流下進行調光，減少驅動電流會減少LED 間的光度差異，因此會產生同質性的問題。低電流下的電流準確性對同質設計來說非常重要。大多數的類比調光比都會限制在20：1以下。 若為數位調光，PWM即使在低工作週期下都很準確。 光度不匹配的情況幾乎可忽略，因此非常適合高精度調光。數位調光必須具備PWM產生器，可獨立透過555定時器或微控制器來達成。動態車燈較常使用數位調光，因為較易以韌體進行控制。 後車燈照明未來演變 為了滿足市場對訊號、風格與個人化的進階需求，汽車後側照明系統已有大幅度演進。這些改變使系統變得更加複雜並需要LED驅動器，也為工程師帶來電子設計挑戰，包含： ．更高的電源需求。 ．散熱管理。 ．EMI相容性。 ．故障偵測和防護。 未來客製市場也會增加這方面的需求。此外在不遠的將來，路上交通將會混合自動車輛、傳統車輛與行人，此情況下更提升了汽車照明的重要性，後車燈市場並不會消失。 (本文作者為德州儀器車身電子元件與照明總經理)