基于参数优化的 LED 驱动电路 PCB 热仿真分析

作者：张开峰 ¹，安世龙 ¹，付  康 ²，谢亚明 ¹，高  燕 ¹，万国春 ¹

1. 同济大学 电子与信息工程学院，上海  ；

2. 上海应用技术大学 电气与电子工程学院，上海

随着电子行业的快速发展，汽车级电子元件的性能越来越优越，以集成电路及芯片为主的微电子系统在信息、汽车电子等领域的应用越来越广泛。当前，汽车电子设备正向高功率、高密度的方向发展，散热已成为影响汽车电子产品的稳定性及可靠度的重要因素。高功耗元器件的热量如不能及时有效地散发出去，会导致电子设备的可靠性和实用性降低。研究表明，超过 55%的电子设备损坏是因为温度超过其额定值而发生的^[1]。随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长，甚至对于一些器件，环境温度每升高 10 ℃，失效率就会增大一倍以上^[2]。同样，在车灯方面，LED灯由于其高效、环保、节能等优势得到广泛应用，但散热问题也是限制 LED 车灯的一大瓶颈^[3-4]。因此，进行汽车级 PCB 热模型仿真分析，从而为 PCB 的设计提供指导尤为重要。

本文基于一款车规级 LED 驱动电路 PCB 设计过程中对热量的评估，从仿真的角度出发，研究了 PCB的尺寸、主要功率元件散热焊盘上的过孔密度和 PCB基板介质材料的优化问题。

 PCB 散热方式

PCB 级热分析理论来源于传热学的基本原理，热量的传递过程通常通过3种形式，分别是热传导、热对流和热辐射^[5]。常见的 PCB 层数设计有2层和4层，而在汽车电子领域，考虑到成本和制程因素，常采用2层 PCB 来设计，图1所示为2层 PCB 及其上面功率元件的散热方式。

1）热传导公式。

其中，A₁为给定的面积，m²；Q₁为单位时间内通过A₁的热量，W；δ为传导路径的长度，m；λ为导热体的导热系数，W/（m·K）或者W/（m·℃）；Δ_t为导热体两端的温差，K或者℃；负号代表热量传递的方向与温度升高的方向相反。

2）对流传热公式。

其中,Q₂为对流交换的热量,W;A₂为与流体如空气接触的物体表面积,m²;h为表面传热系数,也称为对流换热系数,W/(m²·K)或者W/(m²·℃);Ts为物体表面温度,K;T_f为流体温度,K;ΔT为一物体表面与周围流体的温差,K或者℃｡

3）辐射传热公式。

其中,Q₃为辐射放出的热量,W;A₃为参与辐射的面积,m²,ε为物体表面的辐射率,其值介于0~1,和物体材料的温度､表面粗糙程度有关;σ为斯特藩-玻耳兹曼常量,其值为5.67×10–8W/(m²·K⁴);T_A为周围环境温度,K｡

本文基于以上3种传热公式,研究了改变PCB的尺寸(即对流传热和辐射传热的面积)､材质(即PCB的导热系数)来改善产品的设计,并运用电子产品热分析软件ANSYSICEPAK对不同产品模型分别进行了仿真^[6]｡

车规级氛围灯PCB热仿真及优化方法

车规级LED驱动电路印刷电路板（以下简称氛围灯 PCB）的电路原理见图2。Ⅰ型氛围灯 PCB 设计见图3，规格为39.56 mm×15.41 mm×1.6 mm 的2层 PCB。

PCB 上的元件参数和功率如表1所示。

LED1工作温度在–40~125℃,其他元件工作温度均在–40~150℃,而汽车工作的环境温度通常在–40~85℃,因此LED1正常工作的温升不得超过40℃,其他元件的温升不可超过65℃｡在实际的PCB温度测试中,LED1的温升达到了69℃,无法满足元件的温度要求,同时LED1的结点温度对其寿命和可靠性有很重要的影响｡

在参考了相关文献^[7-10]后,本文结合ANSYSICEPAK软件,将元件和PCB的基本热参数的设置如下｡PCB介质的导热系数:当介质为FR4时设置为0.35W/(m·K);当采用铝为基板时设置为209W/(m·K)｡走线层的材质为纯铜,导热系数设置为401W/(m·K)｡元件C1—C5,D1,D2,R1—R3以及F1为陶瓷材质,导热系数设置为15W/(m·K)｡P1为铜锌合金,导热系数设置为109W/(m·K)｡对于LED1,底座材质为铜锌合金,导热系数设置为109W/(m·K),PN结导热系数为21.5W/(m·K)(锡),透明胶壳材质为树脂,导热系数为0.375W/(m·K)｡VR1/VR2的导热系数设置为109W/(m·K)｡由于PCB上不仅有元件,还包含走线层铜箔,依据实际工作条件作如下假设:

(1)元件的功率不随温度和时间变化;

(2)外界环境温度为定值;

(3)元件和PCB对外界的辐射率为定值｡

虽然PCB的外形为中心对称,但是考虑PCB上的元件大小与功率不对称,所以本文建立总体的热仿真模型,如图4所示｡

仿真前的网格划分采用六面体方式,最大网格尺寸为0.3mm,最小网格尺寸为0.001mm,PCB上的其他区域采用最大网格尺寸为0.6mm,最小网格尺寸为0.001mm｡PCB以外的计算区域采用最大网格尺寸5mm,最小网格尺寸0.001mm,最后划分的网格结果为:节点数量2991670个,有限元数量2537017个,PCB上的网格分布如图5所示｡

环境温度为25℃时,PCB的介质采用FR4并在y轴方向上开启重力加速度,y轴方向上的风速为0.1m/s｡松弛因子为0.3,在连续性误差小于0.001时终止热仿真迭代计算,得到如图6所示元件温度分布云图｡

图6可以看出PCB红色高温区域为R1､R2､R3､D1以及VR1所在的位置｡该区域的元件温度都在100℃以上｡PCB上最低温度约为65℃,元件最高温与PCB最低温之间温差幅值约为40℃｡PCB上各功率元件的温度仿真结果如表2所示｡从表2所述元件的温度仿真结果可以看出所有元件的仿真温升都超过65℃,LED1的仿真温升远超40℃的要求,故Ⅰ型氛围灯PCB不符合仿真温度要求｡需要改进设计并借助仿真来论证设计的合理性｡

根据文献^[11],不同覆铜型下的温度仿真有较大的差异,Ⅰ型氛围灯PCB的正面和反面几乎被铜箔全部覆盖,没有进一步改进的空间,而PCB尺寸大小决定了其与空气热对流的面积以及对周围环境热辐射交换的面积｡由于实际工作条件限制,本项目工作环境无法提供强制对流以期待通过增强对流传热系数来提高散热能力^[12],所以在文献^[13]研究散热片的基础上,本文考虑增加PCB的面积,将Ⅰ型氛围灯PCB尺寸增大至59.56mm×25.4mm,PCB总体面积增大约150%,将该PCB简称为Ⅱ型氛围灯PCB｡其正面和背面布局分别如图7(a)和7(b)所示｡

采用和前述相同的网格划分设置,经过仿真后得到的PCB及其元件的温度云图如图8所示｡

从图8可以看出PCB红色高温区域为R1､R2､R3､D1以及VR1所在的位置｡该区域的元件温度约在75~80℃｡PCB上最低温度约为52℃,元件最高温与PCB最低温之间温差幅值约为28℃,较Ⅰ型氛围灯有所改善｡各个功率元件的温度仿真结果参考表3｡表3相比于表2,D1的温升降低27.27℃,LED1的温升降低21.31℃,R1､R2和R3的温升分别降低25.41､24.90和24.98℃,VR1和VR2的温升分别降低24.85和24.94℃｡Ⅱ型氛围灯PCB的温度仿真结果较Ⅰ型氛围灯PCB有明显的改善,但是LED1的温升仍然超过40℃,所以Ⅱ型氛围灯PCB也不符合设计要求｡

本研究中的PCB上的元件由于属于贴片类安装(SMD),可以考虑通过热过孔来提供一种介于PCB正反面之间的导热路径^[14-15],对于过孔的排列方式可以参考文献[16],在低导热率的PCB上添加足够多的过孔,理论上可以增大PCB的导热率｡但由于生产工艺限制,过孔无法做到无限小｡基于现有的尺寸将PCB的过孔按照等边三角形的排列来放置｡Ⅰ型和Ⅱ型氛围灯的PCB过孔数量为137个,在Ⅱ型氛围灯PCB的基础上增加过孔的数量与排列,新设计Ⅲ型氛围灯PCB,如图9所示｡

经过仿真后得到的PCB及其元件的温度云图如图10所示｡

图10的温度分布类似图8,PCB红色高温区域为R1､R2､R3､D1以及VR1所在的位置｡该区域的元件温度约在75~80℃｡PCB上低温区域约为52.6℃,元件最高温与PCB最低温之间温差幅值约为27.2℃｡温差的幅值较Ⅱ型氛围灯有所改善但不明显｡

采用 FR4 介质的Ⅲ型氛围灯 PCB 上每个功率元件的温度仿真结果参考表 4。

由表4相比于表3可以看出,D1的温升降低2.8℃,LED1的温升降低3.7℃,R1､R2和R3的温升分别降低2.1､0.68和0.9℃,VR1和VR2的温升分别降低3.3和–0.2℃｡对应的Ⅲ型氛围灯PCB的温度仿真结果较Ⅱ型氛围灯PCB有改善但不明显,且LED的温升仍超过40℃,所以Ⅲ型氛围灯PCB仍不符合设计要求｡

将PCB的基板介质由导热系数为0.35W/(m·K)的FR4改为导热系数为209W/(m·K)的铝基板Aluminum-6063-T5后,元件的热量能够更好地传导至PCB上,从而降低元件的温度｡将Ⅰ､Ⅱ和Ⅲ型氛围灯PCB的材质改为铝基板,得到如图11—13所示的氛围灯PCB及其元件热仿真温度云图和表5所示的温度仿真数据｡

图11所示的温度仿真云图说明换用铝基材质后,各个元件的温度相较于FR4介质的Ⅰ型氛围灯PCB降低了约6~18℃,但是受限于PCB的尺寸,元件的最高温度在90.54℃｡图12和13所示的温度仿真云图基本上已经趋于一致,元件与PCB之间的温度差别在5℃以内,且元件的最高温分别不超过64.8℃(图12)和65℃(图13),说明使用铝基介质作为PCB板的材质后对降低元件的温度有明显的改善｡

整理表2—5的仿真数据,获得的各个元件的温升比较如图14｡采用FR4介质的Ⅱ型PCB面积约为Ⅰ型PCB面积的2.5倍,其元件的仿真温度较Ⅰ型PCB下降约17~25℃,在Ⅱ型PCB的基础上做更加密集的过孔放置得到Ⅲ型PCB,元件的仿真温度继续下降约0.5~5℃｡采用铝基介质时,Ⅰ型PCB的各元件仿真温度较采用FR4介质普遍降低6~18℃,Ⅱ型和Ⅲ型PCB仿真温度较使用FR4介质时普遍下降6~14℃｡其中铝基板Ⅰ型氛围灯由于尺寸的限制,LED的仿真温升最低为62.4℃,不符合设计要求,而铝基板Ⅱ型氛围灯PCB和铝基板Ⅲ型氛围灯PCB已经完全满足设计要求｡

结论

本文通过热仿真分析方法,实现了氛围灯LED的PCB热性能的优化｡在原有的Ⅰ型氛围灯PCB设计不符合温度要求的基础上,借助热仿真分析了该设计的不足｡通过增大设计尺寸和增加过孔,设计了改善的Ⅱ型和Ⅲ型氛围灯PCB,但是仍不满足车规级温升要求｡最后通过改变PCB的基材介质为铝基介质,借助于热仿真,论证了铝基材质的Ⅱ型和Ⅲ型氛围灯PCB的设计满足车规级要求｡

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