下载文档原格式
_________________________基于LED 投光灯的散热设计及热仿真研究梁霭明1，陈建胜2，李军2，吴海辉1(1.中山市中大半导体照明技术研究有限公司，中山，528400；2.中山大学，广州，510000）摘要：本文基于LED 投光灯的结构论述了散热设计技术及热仿真分析方法，通过仿真数据与测试校核，验证了本散热仿真方法的可行性与可靠性，为更好的研究和解决大功率LED 的散热问题做出一定的贡献。
关键字：散热；仿真；分析；测试Research on thermal design and thermal simulation Based onLED SpotlightsLiang Aiming 1 , Chen Jiansheng 2 , Li Jun 2, Wu haiHui 1（1.Zhongshan Zhongda Seniconductor Lighting Technology Research Co.,Ltd , ZhongShan ,528400;2. Zhongshan University, Guangzhou, 510000）AbstractBased on the structure of LED Spotlights,this paper discusses the thermal design technology and thermal simulation analysis.Simulation and test data are checked to verify the feasibility and reliability of the thermal simulation method,which makes some contribution to better study and solve power LED thermal problems.Key wards : Heat; simulation; analysis; Testing随着大功率LED 照明产品的发展，散热能力好坏成为其发展的一个关键技术要素。
浅谈大功率LED的发热问题以及解决方案胡亚秋时间:2011年6月1日（单位：徐州工程学院数理学院08应用物理1班邮编：221001）摘要: 详尽分析了大功率LED在应用中的发热问题以及原因，提出了几种有效可行对大功率LED (Light Emitting Diode)进行散热的构想,设计了LED热管散热器的原理结构,并对其传热机理、传热路线和各传热阶段的热阻进行了定性分析和定量分析,建立了传热模型,导出了总传热系数的计算式,并给出了该热管散热器的设计计算实例。
关键词：大功率LED; 发热; 散热; 传热模型；Abstract: Detailed analysis of the high-power LED in the application of heat problems and the reasons put forward several feasible and effective for high-power LED (Light Emitting Diode) for cooling the conception, design of the LED structure, the principle of heat pipe heat sink, and the heat transfer Mechanism, heat transfer line and the thermal resistance of the heat stages of the qualitative analysis and quantitative analysis, the heat transfer model, the overall heat transfer coefficient is derived formula, and gives the design of the heat pipe heat sink calculation example.Keywords: High power LED; heat; cooling; heat transfer model;引言：发光二极管(LED)具有低耗能、省电、寿命长、耐用等优点,因而被各方看好将取代传统照明成为未来照明光源。
LED灯主动散热系统的设计与实验验证摘要：解决大功率LED灯具高效LED灯散热问题。
以主动LED灯散热为冷却介质，设计出主动LED灯散热喷射散热器，通过COMSOL软件研究主动LED灯散热喷射对功率为300 W LED灯的LED灯散热特性。
仿真试验结果表明，增大主动LED灯散热流量能明显改善传热效果，流量由7.85 mL/s增至23.55 mL/s，LED灯散热器相同位置处干冰固相分数由0.04增至0.34。
增大主动LED灯散热流速可显著降低基板表面温度，流速由0.1m/s增至0.3 m/s，温度约降低26.4%，且随着流速增大，降温效果逐渐减弱。
与自然对流和水微喷射阵列冷却方式相比，以主动LED灯散热为冷却介质的基板表面温度分别降低44.71％和23.44％；与单相射流方式相比，温度降低24.1％。
主动LED灯散热喷射冷却效果明显提升，温度更加均匀。
关键词：LED灯；主动LED灯散热；系统设计；实验验证引言近年来，LED 光源因其节能环保、响应速度快、可靠性高、使用寿命长，且能够提高汽车耐久性和舒适性等优点，已逐步取代卤素灯、氙气灯等传统光源，成为车用照明领域的主要光源。
LED芯片的大部分能量会转换为热量，热量过高将会缩短LED的使用寿命甚至损坏芯片，因此必须采用合理的LED灯散热方式保证LED主动LED灯散热的正常工作。
对于低功率的LED主动LED灯散热，自然对流即可实现有效LED灯散热；而随着大功率LED主动LED灯散热的广泛使用，仅依靠传统的被动LED灯散热不能够满足LED灯散热需求，因此需要增加主动散热方式。
常见的主动LED灯散热方式包括热管、风冷及液冷LED灯散热，但热管LED灯散热的成本较高且导热能力有限，液冷LED灯散热成本高、结构复杂且可靠性差；相比于热管及液冷LED灯散热，风冷LED灯散热成本较低且可靠性更高，因此使用冷却主动LED灯散热进行强制对流LED灯散热是当前大功率LED主动LED灯散热首选的LED灯散热方式。
单位代码10006学号34140113分类号N94密级毕业设计照明用大功率LED阵列散热设计与仿真分析院（系）名称工程系统工程系专业名称飞行器设计（可靠性）学生姓名王传亮指导教师高成2008年6月北京航空航天大学本科生毕业设计（论文）任务书Ⅰ、毕业设计（论文）题目：照明用大功率LED阵列散热设计与仿真分析Ⅱ、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：原始资料包括：ICEPAK4.1使用说明；LED照明阵列。
设计技术要求：在研究大功率LED封装的热特性的基础上，设计LED照明阵列的散热器，对LED照明阵列建立等效热阻网络模型，软件仿真和试验验证来说明散热器能够满足LED照明阵列的散热要求。
Ⅲ、毕业设计（论文）工作内容：1）LED封装的热特性研究；2）建立LED照明灯具散热系统等效热阻网络模型；3）LED照明阵列的软件仿真分析；4）试验验证Ⅳ、主要参考资料：《传热学》.高等教育出版社.2004年5月.杨世铭，陶文铨编著．《电子制造技术基础》.机械工业出版社.2005年5月.吴懿平，丁汉编著．工程系统工程系学院（系）飞行器设计（可靠性）专业类341401 班学生王传亮毕业设计（论文）时间：2008 年 2 月18日至2008 年 6 月14 日答辩时间：2008 年 6 月18 日成绩：指导教师：兼职教师或答疑教师（并指出所负责部分）：系（教研室）主任（签字）：注：任务书应该附在已完成的毕业设计（论文）的首页。
学位论文的声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。
尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得北京航空航天大学或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。
若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。
作者：王传亮签字：时间：2008年6月照明用大功率LED阵列散热设计与仿真分析学生：王传亮指导教师：高成摘要白光LED灯具具有寿命长、耗电小、发光效率高等优点，是被寄予厚望的半导体光源，在光效、寿命以及环保等方面具有以往光源所无法比拟的优势。
高功率LED开发之CFD模拟散热解
高功率、高亮度发光二极管(LED)由于具有良好的色彩饱和度、长效寿命，目前正逐渐切入众多照明应用，不过要如何避免LED过热，却是散热设计工程师必须面对的重大考验，因此在设计过程中，计算流体动力分析(ComputaTIonal Fluid Dynamic, CFD)模型的重要性也愈益突显。
本文中将比较采用星形金属核心印刷电路板(MCPCB)的高功率LED，包装在搭配与未使用散热片情况下的实验结果，在进行比较讨论后，将提供一个应用在搭配散热片LED包装上的温度模型建立技术，由此看来，采用CFD模型所取得的结果相当可行，同时也展现出此项技术可应用在LED系统层级的评估上，文章中并将讨论在LED包装上采用散热接口材料(Thermal Interface Material, TIM)所带来的效应。
预估LED散热 简化产品设计
能够预先推估LED的散热效能表现，对协助设计工程师有效缩短采用LED产品的上市时间已是不容忽略的事实，不过，当热能流动与封装密度越来越高时，LED封装模块的散热设计就变得更加困难，同时模块的设计与。
高功率LED太阳花式热沉的散热模拟与验证曹玉春;陈亚飞;周慧慧;陈其超【摘要】基于传热理论，研究LED工矿灯冷却模块在自然对流下的散热性能。
以降低芯片结温为目的并保证芯片结温在允许范围内，通过数值仿真对太阳花式热沉的结构进行优化。
采用控制变量法分析翅片厚度、翅片个数、翅片高度以及空心圆柱厚度对散热的影响。
研究结果表明：当太阳花式热沉的翅片厚度为1.2mm，翅片个数为53，翅片高度为62.5mm，空心圆柱厚度为1.5mm时达到最佳散热效果，且仿真结果与实验数据基本一致，验证了该优化方案的可行性。
【期刊名称】《制造业自动化》【年(卷),期】2016(038)004【总页数】5页(P105-108,134)【关键词】传热;结温;仿真;优化【作者】曹玉春;陈亚飞;周慧慧;陈其超【作者单位】常州大学热能与动力工程系，常州 213016;常州大学热能与动力工程系，常州 213016;常州大学热能与动力工程系，常州 213016;常州大学热能与动力工程系，常州 213016【正文语种】中文【中图分类】TN6010 引言Light-Emitting Diode（LED），是一种注入电致发光器件，以其耗电量少、寿命长、响应速度快、体积小、无污染、易集成化等优点[1]，已被广泛应用于各种电子产品显示屏的背光源，汽车前大灯以及城市道路照明等领域[2,3]。
目前LED只能将10%-15%的输入功率转化为光能，其余的均以非辐射形式转化为热能[4]。
随着芯片发光效率和功率的大幅提高，LED结温不断上升，引起应力分布不均、发光效率降低、荧光粉转换效率下降等一系列问题，大大降低了LED使用寿命[5]，因此合理优化高功率LED散热结构至关重要。
Park[6]等在太阳花式热沉的周围加装空心圆柱体，使整个灯具系统的的散热性能提高了43%。
Jang[7]等以降低灯具热阻和重量为目的，提出了三维烟囱流的热沉模式，采用高度不均的翅片形式，使得在整体重量保持不变的基础上散热性能提高了45%。
廖绍凯[8]等提出优化散热片面积，有效降低芯片结温。
王长宏[9]等基于有限元分析，采用控制变量法对方形散热器的结构参数进行优化达到最佳散热状态。
本文采用Ansys Icepak软件针对96W LED工矿灯进行温度场模拟和分析，以芯片结温最低化作为优化目标，分别从翅片厚度、翅片个数、翅片高度以及空心圆柱厚度四个角度对太阳花式散热热沉的结构进行优化计算，从而达到对该类型工矿灯增强散热效果的目的。
1 散热模型的建立与模拟分析1.1 模型建立LED模型分为四个主体部分：灯罩、芯片、基板、太阳花式热沉。
研究太阳花式的热沉结构对温度的影响，采用SolidWorks建模时，将基板作为发热元件，省去数量多且尺寸小的芯片，可大大减少网格划分数量以及求解计算量。
同时省略了LED封装的扩散罩、导线、导热胶、孔洞、倒角对散热效果的影响。
图1为灯具结构图。
表1为太阳花式热沉的结构尺寸。
图1 LED模型的结构1.2 网格划分将建好的三维图通过DM导入到Icepak软件，根据表2设置各材料参数。
灯具总功率为96W，光转换效率为20%[10]，因此基板总热耗为76.8W。
由于热模型均为DM导入的异形CAD体，选择六面体占优网格（Mesher-HD）根据模型尺寸进行网格划分并通过相应的标准检查网格质量。
表1 太阳花式热沉的结构尺寸底板直径d/mm 内圆柱直径d1/mm 外圆柱直径d2/mm 翅片高度H/mm 翅片厚度δ/mm 151 78 81 54.5 1.51.3 求解设置一般LED工矿灯工作时间较长，多数处于稳态，因此计算时设置为稳态热分析。
灯具靠做自然冷却进行散热，计算区域（Cabinet）需足够大使得远场处各种变量的梯度足够小，才能保证计算的精度。
在热模型的上部设置至少2倍的特征尺寸空间，四周至少0.5倍特征尺寸空间，下部至少1倍特征尺寸空间，设置计算域的各个外边界设置为开放（Opening），其计算域的示意图如图2所示。
考虑到空气密度受温度影响，引入Boussinesq approximation（布辛涅司克近似）假设。
针对LED散热模型，其控制方程如下：质量守恒方程：动量守恒方程：能量守恒方程：式中u为x轴速度分量，υ为y轴速度分量，w为z轴速度分量。
Cp为定热容，k是导热率数。
边界条件：1）工矿灯工作环境温度为30℃，压力为大气压；2）瑞利数＞109，选择湍流模型进行计算；3）根据基板热耗设定热流边界；4）芯片、基板与散热器之间接触良好。
接着进行求解计算和后处理显示，基板和翅片的温度分布如图3所示。
然后采用控制变量法，分别对翅片厚度δ、翅片个数N、翅片高度H以及空心圆柱直径d各参数选取不同的值进行数值模拟，得出芯片结温与各参数的拟合曲线图[11]。
表2 LED各材料参数铝型材52 205图2 LED计算区域图3 基板与翅片的温度分布2 模型优化2.1 翅片厚度对散热效果的影响在保持其他条件不变的情况下，改变太阳花散热器翅片的厚度，变化范围为0.6～2.1mm，每隔3mm取一个值。
得到芯片最高温T随着翅片厚度δ变化的拟合曲线图，如图4所示。
由图4可以看出当δ变化范围为0.6～1.2mm时，T呈下降趋势，这是由于随着翅片厚度的增加，散热面积增大，有利于散热；当δ变化范围为1.2～2.1mm时，虽然散热面积在增大，但温度却呈上升趋势。
这是由于翅片厚度的增大并不能有效的增加散热面积，而且大大增加了散热器的重量，加大制造成本，同时随着翅片厚度的增加，翅片间距减小，不利于空气流通。
根据经验值翅片厚度不低于1mm的前提下，尽量减小翅片厚度以降低成本，翅片厚度选取1.2mm最为合适。
图5为翅片厚度取1.2mm时，基板和翅片的温度分布图。
图4 δ对T的影响图5 δ为1.2mm时的温度场2.2 翅片个数对散热效果的影响保持其他条件不变并使得翅片厚度为1.2mm，变化太阳花散热器翅片的个数，其变化范围为50～55，每隔一个取一个值。
得到芯片最高温T随着翅片个数N变化的拟合曲线图，如图6所示。
图6 N对T的影响由图可以看出随着N的增加，T总体呈下降趋势，这是由于随着翅片个数的增加，散热器的面积得到有效增加，有利于热量散发到外部环境。
但是由于受到制作工艺的制约，翅片个数不可能无限增大，同时翅片个数过多，就会增加翅片与翅片间的空气阻力，使得对流不能充分进行，散热效果变差，这也是当N大于53时，温度下降趋势略有减缓的原因。
因此翅片个数选取53最为合适。
2.3 翅片高度对散热效果的影响保持其他条件不变并使得翅片厚度为1.2mm，翅片个数为5 3，变化翅片高度，其变化范围为46.5～66.5mm，每隔4mm取一个值。
得到芯片最高温随着翅片高度变化的拟合曲线，如图7所示。
图7 H对芯片温度的影响由图可以看出随着H的增大，T呈下降趋势，在保证材料消耗量最少的情况下（翅片高度最小）保证芯片最高温度不超过75℃，选取翅片高度为62.5mm最为合适。
2.4 空心圆柱厚度对散热效果的影响太阳花散热器的空心圆柱内部装有尺寸固定的驱动器，所以内圆柱直径（39mm）的大小无法改变，只能对外圆柱直径进行尺寸的优化。
保持其他条件不变并使得翅片厚度为1.2mm，翅片个数为53，翅片高度为62.5mm，通过改变太阳花散热器空心圆柱的厚度来改变外圆柱直径的大小。
根据制作工艺经验值，空心圆柱的厚度不能低于1mm。
又由于受到重量的限制，不能无限增大厚度。
因此选取空心圆柱厚度d变化范围为1.1～2.1mm，每隔2mm取一个值，如表3为芯片最高温度T与空心圆柱厚度d的对应关系。
表3 芯片最高温度与空心圆柱厚度的对应关系外圆柱直径d/mm 1.1 1.3 1.5 1.71.92.1芯片最高温度T/℃ 75.1895 75.0681 74.9931 74.9352 74.8891 74.8345由表2可以看出随着空心圆柱厚度的增大，芯片最高温度减小，这是由于厚度的增大使得散热面积面积增大，加强散热。
但下降趋势并不明显。
比较为1.1mm和2.1mm分别对应的温度，空心圆柱厚度相差1mm，增加了91%，而芯片温度之差只有0.347℃，仅仅降低了0.46%。
因此空心圆柱厚度的改变不但没有使温度有明显的改变，而且增加了器件重量，加大了材料的消耗，提高了制作成本，为了保证芯片最高温度不高于75℃，因此选取空心圆柱厚度为1.5mm最为合适。
3 验证分析图9是太阳花散热器结构优化后的模拟结果，利用探针分别测量灯具的灯罩表面温度、翅片与基板接触点的温度以及翅片尾端的温度。
对照优化后的模型尺寸对96W LED工矿灯的太阳花式热沉进行制作（如图10），将制好的LED置于30℃的恒温试验箱中，通以220V的电压，待LED温度稳定后，利用激光测温枪（测试量程为-32-380℃，分辨率0.1℃）分别测量相对应的位置，表4是模拟结果与实验结果温度的对比。
图8 LED整体温度分布由表4可以看出，对于不同位置的温度测试，其测试结果与模拟结果均存在一定的误差，一是由于模型的简化（扩散罩、导热胶、孔洞、倒角、接线盒的简化）与热阻的忽略（散热器与基板接触面的空气热阻）所导致的；二由于用基板代替芯片作为热源，忽略了芯片与芯片之间的热耦合现象；三由于激光测温枪的测量精度相对比较低。
但误差都在允许范围内，因此可以忽略以上因素带来的误差，从而减少了建模和模拟过程中的难度。
所以以上方案的优化与模拟基本反映了该工矿灯的真实温度分布。
图9 优化后的LED工矿灯表4 温度测试结果及对比项目环境温度/℃ 灯罩表面温度/℃ 翅片与基板接触点温度/℃ 翅片尾端温度/℃ 芯片温度/℃测试结果 30 43.9 69.3 58.9 /模拟结果 30 43.7070 68.7683 59.5500 74.9931绝对误差 0 0.193 0.5317 0.65 /相对误差 0% 0.44% 0.76% 1.1% /4 结论高功率、高亮度、小尺寸是LED的发展方向，因此散热问题变得至关重要，而其散热性能在很大程度上受到外部热沉的影响。
针对一款96W高功率LED的工矿灯进行散热模拟优化。
主要通过优化太阳花式热沉的结构参数，以降低芯片结温为目的提高灯具散热性能。
结果表明：翅片厚度为1.2mm、翅片个数为53、翅片高度为62.5mm、空心圆柱厚度为1.5mm时达到最佳散热状态，此时芯片最高温为74.9931℃，相对于原始设计降低了4.0985℃。
并对灯具具有代表性的位置进行温度测试，其测试结果与仿真结果基本一致，验证了该优化方案的可行性。
参考文献：[1] Ding X R, Tang Y, Li Z T. Thermal and optical investigations of high power LEDs with metal embedded printed circuit boards[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer,2015, 66(1):32-39.[2] Maaspuro M, Tuominen A. Thermal analysis of LED spot lighting device operating in external natural or forced heat convection[J]. Microelectronics Reliability,2013,53(1):428-434.[3] Huang S J, Wu H, Fan B F. A chip-level electro thermal-coupled design model for high-power light-emitting diodes[J].Journal of Applied Physics,2010,13(2):1-8.[4] 郭常青,闫常峰,方朝君,等.大功率LED散热技术和热界面材料研究进展[J].半导体充电,2011(6):749-755.[5] 付贤政,胡良兵.LED灯的散热问题研究[J].照明工程学报, 2011(3):73-77.[6] Park S J, Jang D.Thermal performance improvement of a radial heat sink with a hollow cylinder for LED downlight applications[J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015,89:1184-1189.[7] Jang,Yook S J.Optimum design of a radial heat sink with a finheight profile for high-power LED lighting applications[J]. AppliedEnergy,2014,116:260-268.[8] 廖绍凯,梅甫良.阵列式大功率LED灯散热分析与优化[J].机电工程,2015,32(2):291-294.[9] 王长宏,谢泽涛.大功率LED散热器的数值模拟与优化[J].电子元件与材料,2015,34(6):45-48.[10] Hsieha J C;David T.W. The optimal design of the therma spreading on high power LEDs[J].Microelectronics Journal,2014,45(7):904-909.[11] 王永康.电子散热基础教程[M].北京:国防工业出版社,2015:261-264.。
