JEITA LPBフォーラム2019

LPBの熱拡張で変わるLED設計
LEDシステムの光,熱1D,回路によるマルチドメイン検証

ローム株式会社
アプリケーションエンジニア部
瀧澤 登© 2019 ROHM Co.,Ltd. Confidential

アジェンダ
1. 背景
2. LPB 熱拡張でどう変わるか
3. LEDライトシステムの難しさ
4. LEDライトシステム理想的な検証
5. 光、熱、電気のマルチドメインモデルで可能になること
6. 発熱による放熱の広がり
7. 放熱経路抽出と注意点
8. VHDL-AMSでの解決手法とメリット
9. VHDL-AMS モデル
10. LED動作確認シミュレーション結果
11. LEDモデルを使用しての検証例
12. 業界活動
13. フリーシミュレーション環境とデモ
14. まとめ
P. 1

1. 背景LEDシステムの回路開発において現在はSPICEを使用している為電流値を結果として検証しております。この為、LEDやLEDドライバーの自己発熱や動作環境により目的の明るさに対してずれが生じていました。
これを解決するためマルチドメイン環境（VHDL-AMS）でモデル化する事で明るさを解とし熱、電気との協調設計でこれが解決できるようになります。
しかし、従来、VHDL-AMS単体では回路と熱回路網の連携を行う準備にかなりの工数が必要でした。
LPBに熱関連が追加されることで、この工数の低減が見込まれ、熱と回路の連成解析が一般的なエンジニアまで広がることでしょう。
この発表で熱を含んだ検証が広がる参考となれば幸いです。

P. 2

2. LPB 熱拡張でどう変わるか
従来 回路(電流）熱(温度) 明るさが別々回路(電流）熱(温度)関連づいた検証が可能

回路(電流）熱(温度)が決まれば明るさも決まる

明るさ 回路(電流）熱(温度) の検証ができる

P. 3

2.2 従来の設計と検証（明るさの対応）
LEDの電流値を結果として検証

温度による発光効率の違いで明るさが合わない
発光効率の低下で温度の見積もりが合わない
カットアンドトライの合わせこみが行われてきた
TA条件を変えての検証

規格内に入ったところで終了

人手による経験値からのカットアンドトライ

ある特定TA条件下で検証

シミュレーション検証ではできていない
P. 4

2.3 回路シミュレーションSPICE VS. VHDL-AMS
SPICE検証•電流で等価的な結果での検証•自己発熱を含めない検証•サーミスター等による温度制御は周辺温度を変えて等価検証•ファンなどのクーリング制御は周辺温度を変えて等価検証

VHDL-AMS検証•光量での結果検証•自己発熱による変動を含めた検証（基板や周辺状態 熱抵抗 熱容量 熱流での１D化で）•サーミスター等による温度ディレーティング制御（動作検証）•ファンなどのクーリング制御（動作検証）
P. 5

3. LEDライトシステムの難しさ
LEDを点灯させると温度が上昇する
温度上昇によるVfの変動（消費電力の低下）
温度上昇による発光効率の変動（消費電力の増加）
温度上昇による明るさの変動（明るさの低下）
複数LEDの熱の相互干渉

LEDドライバーからの発熱放熱経路モデル (熱とエレキとは別れていることが多い)

P. 6

3. LEDライトシステム システム検証
ランプ開発の問題点の改善要求

動作時のLEDの明るさの検証が必要
動作時のLEDの温度の検証が必要
PWM駆動時のLEDのピーク温度検証PWM駆動時のLEDドライバーのピーク温度検証

電気、熱、光のマルチドメインでのLEDモデル
電気、熱、光の相互検証（シミュレーション）

P. 7

4. LEDライトシステム理想的な詳細検証

動作時のLEDの明るさでの検証
動作時のLEDの温度の検証
PWM駆動時のLEDのピーク温度検証

PWM駆動時のLEDドライバーのピーク温度検証

電気、熱、光のマルチドメインでのLEDモデル
電気、熱、光の相互検証（シミュレーション）

本来必要な明るさでの検証
放熱に関しても検討可能に
P. 8

5. 光、熱、電気のマルチドメインモデルで可能になること
自己発熱を含めての熱検討(正確な放熱経路を使用しての)LEDの多燈制御の検討
LEDの光量をターゲットとした最適化設計

設計・検証の自動化

工数・設計コスト削減

P. 9

6. 発熱による放熱の広がり
発熱量で熱抵抗は変わります

発熱量が多い場合

発熱量が少ない場合

P. 10

6. 発熱量による放熱の広がり
発熱量で熱抵抗は変わります

発熱量が多い場合

発熱量が少ない場合

熱抵抗が高い熱抵抗が低い

P. 11

6. 発熱による放熱の広がり
基板の有効面積で熱抵抗は変わります

基板面積が小さい場合基板面積が大きい場合

P. 12

6. 発熱量による放熱の広がり
基板の有効面積で熱抵抗は変わります

基板が小い場合

基板が大きい場合

熱抵抗が高い熱抵抗が低い

P. 13

7. 放熱経路抽出と注意点
CAD図面では理想的な平面で接します

実際は凹凸があり接触面積が異なります

CFDと実測のキャリブレーションを行う補正が必要
発熱量の変動に伴う熱抵抗の変動

多点でのCFD検証で熱抵抗の近似化
放熱面積サイズから来る飽和への配慮

多点でのCFD検証で熱抵抗の近似化
P. 14

8. VHDL-AMSでの解決手法とメリット
VHDL-AMSでのメリット•マルチドメインでの結果が出来る
光量 （lm)
温度 (℃,K)
電力(W)
熱抵抗 (℃/W,K/W)
熱容量 (J/K)
熱輻射メカニカル（ファンによる空冷制御など）
回路 発熱 発光の３ドメインでのシミュレーションが可能•熱シミュレータに比較して非常に高速
熱関連を１D化して回路と熱の練成シミュレーションが実用レベルの速度出来る。
（熱抵抗 熱容量 熱流量 と 発熱でモデル化を行う）
P. 15

9.1 VHDL-AMS モデル
LED モデルに含める機能•光量 (lm)は電流と温度の発光効率から•発熱は電流,電圧,,ジャンクション温度、効率から•ジャンクション温度によるVｆ変動 発光効率変動•外部の熱抵抗網が正しければ温度のダイナミッ
クな変動もあいます

光(lm)

検証回路

junction

anode

rs

1000
mA

power

cj0
id

cathode

温度源

作成手順•Vｆ（V)の温度特性をデーターシートから近似式を作成します•光量（ｌｍ）の温度特性をデーターシートから近似式を作成します•光量から光のエネルギーになった分を求めます（ｌW=lm/683）•発熱量 電流ｘVf-lm/683で求まります
P. 16

9.2 VHDL-AMS モデル
近似式 電流 VS. 明るさ係数（１A時を1として）If(A)KCurrent VS flux's K factor

000.1

0.14

0.2

0.25

0.3

0.37

0.4

0.46

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.74

0.8

0.83

0.9

0.92

11

1.1

1.08

1.2

1.16

1.3

1.23

1.4

1.29

1.5

1.35

y = -0.1898x2 + 1.1755x + 0.0167
1.4

1.2

10.8

0.6

0.4

0.2

仕様書のスナップショット
000.5

11.5

P. 17

9.3 VHDL-AMS モデル
近似式 電流 VS. 明るさ係数（25℃時を1として）
Tj

K

Junction Temperature VS Flux K factor-40

1.02-30

1.01-20

1.005-101.003

01.002101.001201300.998

400.996500.98860

0.978

700.966

800.94900.921000.895

1100.865

1200.835

1300.81400.765

1500.73y = 4E-13x5 + 6E-10x4 - 2E-07x3 + 3E-06x2 - 7E-07x + 1.0017

1.2

10.8

0.6

0.4

仕様書のスナップショット
0.20-40-20

020406080

100120140
P. 18

9.4 VHDL-AMS モデル
近似式 電流 VS. Vf変化（25度時を基準として）
Tj

ΔVF-40Tj VS ΔVF
0.16

y = -2E-08x3 + 9E-06x2 - 0.0024x + 0.0486
0.3-300.129-20

0.1-100.07500.049

100.025200.0024

30-0.016

40-0.035

50-0.052

60-0.068

70-0.08380

90-0.098 -0.1-0.11

100-0.122

110-0.134 -0.2

120-0.145

130-0.155

140-0.166 -0.3

150-0.175

0.2

0.1

0

仕様書のスナップショット-40-20

020

40

60

80

100120140
P. 19

9.5 VHDL-AMS モデル
LED モデル
使用するライブラリー宣言

library IEEE;
use IEEE.math_real.all;use IEEE.electrical_systems.all;use IEEE.FUNDAMENTAL_CONSTANTS.all;use IEEE.energy_systems.all;use IEEE.RADIANT_SYSTEMS.all;

電力計算用
光量計算用

library SVWebLib;
use SVWebLib.thermal_c_systems.all;

熱計算用(摂氏に変えたもの

P. 20

9.6 VHDL-AMS モデル
続き変数宣言entity LED_th_OSLON_lum2 isgeneric (I_fwd: current:= 500.0e-3;
V_fwd: voltage:= 3.5;lumens_nominal : LUMINOUS_FLUX := 350.0;
r_off: resistance := 100.0e3;
I_fwd_pulse_max : current:= 100.0e-3;
V_rev_max: voltage:= 5.0;Power_avg_max : power:= 120.0e-3;
tau: real:= 0.01);
ポート宣言
port (terminal p, n : electrical,
電気的なPin宣言
terminal th : thermal);熱のPin宣言
begin
assert I_fwd > 0.02
report "I_fwd must be greater than 0.02"
severity error;
end entity LED_th_OSLON_lum2;
P. 21

9.7 VHDL-AMS モデル
続きarchitecture default of LED_th_OSLON_lum2 is

動作の記述

quantity v_led across i_led through p to n;quantity heat_output through thermal_c_ref to therm;
quantity temp_int across power_dissipated through thermal_c_ref to therm;
constant efficacy : real:= lumens_nominal/(I_fwd*V_fwd);
constant i_knee : current := 0.1*I_fwd;
quantity vt: voltage ;quantity V_fwd_t: voltage ;quantity Isat
: current ;quantity r_on
: resistance ;quantity i_on
: current ;quantity v_knee : voltage ;quantity stress_ratio_I_fwd_pulse : real:= 0.0;quantity stress_ratio_V_rev: real:= 0.0;
quantity stress_ratio_Power_avg : real:= 0.0;quantity power_dissipated_avg: power:= 0.0;quantity lumens_instantaneous: LUMINOUS_FLUX := 0.0;
quantity lumens_perceived: LUMINOUS_FLUX := 0.0;
quantity lumens_th_factor: real:= 1.0;constant tau_eye_lpf: real:= 1.0/(15.0*2.0*math_pi);
P. 229.8 VHDL-AMS モデル
続き温度によるVf変動式
begin
V_fwd_t == 2.0e-8*temp_int**3 + 9.0e-6*temp_int**2 + 0.0024*temp_int+ 0.0486;
v_knee == 0.7*V_fwd + V_fwd_t;
vt == (v_fwd + V_fwd_t - v_knee)/Log(i_fwd/i_knee) ;Isat == i_fwd/Exp((v_fwd + V_fwd_t)/vt);
ダイオード特性r_on == vt/(Isat*Exp((v_fwd + V_fwd_t)/vt));
i_on == Isat*(Exp((v_fwd + V_fwd_t)/vt) - 1.0);
if v_led < V_fwd use
i_led == Isat*(Exp(v_led/vt) - 1.0) + v_led/r_off;else
i_led == (v_led - V_fwd - V_fwd_t)/r_on + i_on + v_led/r_off;
end use;-- Stress Ratio Calculations and heat flow
発光効率
stress_ratio_I_fwd_pulse == i_led/I_fwd_pulse_max;
stress_ratio_V_rev== -1.0*v_led/V_rev_max;
power_dissipated == v_led*i_led - lumens_instantaneous/683.0;
power_dissipated_avg == power_dissipated - tau*power_dissipated_avg'dot;
stress_ratio_Power_avg == power_dissipated_avg/Power_avg_max;
P. 23

9.9 VHDL-AMS モデル
続き
heat_output == power_dissipated;

温度による明るさの変動式-- For information only
lumens_th_factor == -4.0e-13*temp_int**5 + 6.0e-10*temp_int**4 +2.0e-7*temp_int**3+3.0e-6*temp_int**2+7.0e-7*temp_int+1.0017;
電流による明るさの変動式
lumens_instantaneous == (-0.1996*i_led**2+1.1951*i_led+0.0071)*lumens_nominal*lumens_th_factor;

lumens_perceived == lumens_instantaneous - tau_eye_lpf*lumens_perceived'dot;end architecture default;

P. 24

10.1 LED動作確認シミュレーション結果

P. 25

10.2 LED動作確認シミュレーション結果

P. 26

10.3 LED動作確認シミュレーション結果

P. 27

11.

LEDモデルを使用しての検証例（現在開発中）

温度ディレーティング動作
出力電流
サーミスターで温度により電流制御

LEDの温度を見てドライバーの出力電流をコントロールするような制御LEDのモデルはVHDL-AMSの方が好ましい理由
１．LEDの結果を明るさで求められます
２．温度による発光効率を含めたモデルができる

P. 28

12.1 JEITA 半導体パッケージング技術委員会
会員企業
特別会員
オブザーバ
主査
副主査

:26社
:2社
:Semi Japan Package標準化代表:吉田 浩芳:以下5つのSC主査が兼任
半導体共通規格サブコミティ

主査 吉田 浩芳

Subcommittee on General Rules and Common

個別半導体パッケージサブコミティ

主査 中村 賢平

Subcommittee on Discrete Semiconductor Package

半導体包装サブコミティ

主査 楢岡 浩喜

Subcommittee on Packing for Semiconductor Devices

半導体ソケットサブコミティ

主査 勝間 常泰

Subcommittee on Semiconductor Socket

熱設計技術サブコミティ

主査 熊野 豊Subcommittee on Thermal Technology and Design■IEC / SC47D国内委員会 (半導体ﾊﾟｯｹｰｼﾞ)
委員長 宮下 秀仁■IEC / SC47D国際委員会
議長 Stephan Tisdale
幹事 吉田 浩芳■IEC / TC40 WG36(部品包装連携) ■IEC TC91 (実装技術連携)

P. 29

12.2 熱設計技術サブコミティの取り組み
狭ピッチ半導体パッケージ対応熱特性評価基板
規格発行予定： 2018/5月
デファクトだったJEDEC規格の基板では、狭ピッチ半導体パッケージの実装が不可能だったため、これら半導体パッケージの熱特性パラメータを実験的に取得できなかった。狭ピッチパッケージに対応した熱評価基板の規格化を目指す。

過渡対応半導体パッケージ熱回路網モデル
規格発行予定： 2018/5月
定常解析用パッケージ等価回路モデルは一般化されているものの、過渡解析用モデルは標準化されていなかった。特に過渡時の温度が問題となるパワー系半導体パッケージに関し、過渡対応の熱回路網モデリング手法を規格化する。

高精度を担保した半導体パッケージの簡易熱モデル (JTAM)
規格発行予定： 2018/12月*JEITA Thermally Accurate Model
近年電子機器は、熱解析技術を駆使した試作レスでの熱設計が求められている。
半導体ジャンクション温度の精度を維持したまま、半導体パッケージの熱解析モデルを簡略化する手法の規格化を目論む。

新規参画企業を募集しております。
パナソニック(株) 熊野 豊まで
kumano.yutaka@jp.panasonic.com

P. 30

12.3 モデル流通活動 (自動車技術会の取り組み)

国際標準記述によるモデル開発・流通検討委員会

委員長 : 加藤 利次（同志社大）
幹事 : 市原純一（AZAPA）、辻公壽（トヨタ自動車）、瀬谷修（モーデック）

電子部品と熱Sub-WG来季はSMPSを例に熱を含んだモデル記述法のルールを検討しております。
これは 過渡熱対応のパッケージモデルと接続したものになります。

ローム株式会社
アプリケーションエンジニア部
アプリケーション第１課パワーAE1G
瀧澤 登
E-mail : Noboru.Takizawa@dsn.rohm.co.jp

P. 31

13. フリーシミュレーション環境
今回使用したフリー環境です
シミュレーション時間が1時間程度まで回路が公開されます（有料バージョンはプライベート化できます）

P. 32

14. まとめ
LPBの熱拡張でできることが説明できたと思います。
マルチドメイン環境での放熱経路網の１D化での注意点を説明しました
光をソリューションとした熱問題を解けることを示せました。
実際のLEDのモデル記述を示しました

フリー環境の情報の提供を行いました

P. 33