基于参数优化的 LED 驱动电路 PCB 热仿真分析

关键词:


LED; 热仿真; ANSYS ICEPAK; 印制电路板


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,汽车级电子元件性能的提升与微电子系统在多个领域的广泛应用正在改变行业格局。特别是随着现代汽车电子设备性能的日益增强,高功率、高密度的趋势使得散热问题成为影响电子产品稳定性和可靠性的重要因素。长时间积攒的热量如不能被有效散发,将影响汽车电器设备的(实际情况更需要强调处理热能问题以保障耐用性与性能),提高设备的失效率和缩短其寿命。

此背景下,以 LED 灯为例,其高效的能源转换、环保特性和节能优点使其在汽车照明领域得到广泛应用。但仍面临散热瓶颈,直接影响其长期运行性能与安全性。因此,设计高效的温度管理策略,提升车用微电子设备包括 LED 驱动电路板的热设计水平,成为提升汽车性能和行驶安全性不可或缺的一环。




本文聚焦车规级氛围灯 LED 驱动电路板的热仿真与优化问题。基于此零件的热特性评估,研究从 PCB 尺寸、功率元件散热焊盘的过孔密度及基板材质三个角度出发,开展参数优化仿真分析。探讨不同布局及尺寸设计对热仿真结果的影响,并通过实验优化方法,实现了运营温度减少超过预期目标的结果,具体表现为元件最高温与 PCB 最低温温差约4028℃不等,且各负载条件下元件的温升均显著降低,成功克服了初步设计中温度不达效仿的难题,表明所提出的仿真优化策略的确切性和实用性。

在热分析算法基础上,将原理性知识具体应用到实践布局优化中:首先,基于不同覆铜类型,研究其温度仿真有较大差异性,考虑到 PCB 正反面几乎全被铜箔覆盖,无法进一步优化。然而,改变尺寸可以显著影响与空气的热对流面积以及周围环境热辐射的交换程度。虽然受实际工作任务环境限制,未能通过增强对流传热系数实现散热能力的显著提高,但理论指导设计人员通过增加 PCB 面积来改善散热效果。

进一步地,通过热过孔布置来提升 PCB 的内部导热路径,理论设计路径虽更为高效,但受制于生产工艺限制,过孔大小无法无限制减小。通过实现等边三角形排列的策略优化,提升过孔密度和排列方式,进一步提高了散热性能,实现了显著的温升下降。

实验验证中,通过改变 PCB 基板材质至铝基介质,实现元件热量的更有效传导,显著降低了各单元元件的温度,其表现效果验证了铝基介质对于提升 PCB 热性能的卓越贡献,达到或超过设定的车规级温度要求。

此外,详细分析了不同板材料条件下,该 PCB 设计执行下的温升差异,并整合实验数据及分析结果,以图表形式直观呈现,说明了采购替代 FR4 板材后,从Ⅰ型、Ⅱ型至Ⅲ型 PCB 的温度模型进一步规范化与优化,尤其是更换至铝基介质的 X 版本,温度控制显著改善并达到预期设计目标。