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灯具LED热设计及仿真模拟

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热设计
l灯具热设计意义l热设计理论基础l传统灯具热设计l LED灯具热设计l
热设计仿真模拟
2
热设计
l灯具热设计意义
l热设计理论基础
l LED灯具热设计
l热设计仿真模拟3
灯具热设计意义
l高温对电子产品的影响
–绝缘性能退化
–元器件损坏
–材料的热老化
–低熔点焊缝开裂、焊点脱落l热设计对灯具的影响
–光源工作状态及寿命
–灯具电气安全
–材料选择与寿命
4
热设计
l灯具热设计意义
l热设计理论基础
l传统灯具热设计
l LED灯具热设计
l热设计仿真模拟7
，当
，
T/∆X
12
1)/R
+ 1/R
3
Convection
External Flow
外流
内流
16
热辐射
dq/dt:两个表面幅射交换能量为：
Where,
dq/dt= 热流
σ= Stefan-Boltzmann 常数
ε= 表面发射率
f = 表面1到表面2的视因子
A = 辐射面积
T 1, T
2
= 发射面和接受面温度
dq/dt=σεfA(T41-T42)
20
热设计
l灯具热设计意义
l热设计理论基础
l LED灯具热设计
l热设计仿真模拟22
及
26
散热片
28
29
30
31
32
LED散热基板
l一般FR4（PCB）
l金属基PCB
l陶瓷基板
l直接铜块结合
33
l一般FR4
l热导系数0.36 34
35
36
l金属氧化作为绝缘层
l热导系数20k/mk
37
l陶瓷基板
–热膨胀系数与Chip匹配
–导热系数>80
–价格高,无法应用于大面积基
板
38
散热片
l散热器通过扩大散热面积提高传热效果
l最常用的散热器是翅片散热器
l最常用的散热器材料为铝或
铜
39
l现有的散热器种类：
–Stampings 冲压
–Extrusions 拉伸
–Bonded/Fabricated 粘接
–Folded 折叠
–Casting 铸造
40
l整体的热阻
Rja= (Tj-Tamb)/P = Rjc+ Rcs+ Rsa
Rjc,Rcs,Rsa分别是结到壳，壳到散热器，散热器到空气的热阻
42
43
Tj=73.5C Tj=70.8C
Tj=68.1C Tj=67.1C
0.5”x0.6”x0.5”0.5”x1.5”x0.5” 1.5”x0.6”x0.5”
0.5”x0.6”x1.5”
Tj=64.0C Tj=63.7C
1.5”x1.5”x1.6”
2.0”x2.0”x1.6”44
45
Tj=73.5C
Tj=70.8C Tj=68.1C Tj=67.1C
Tj=64.0C Tj=63.7C Aluminum
Copper 1.5”x1.5”x1
.6” 1.5”x1.5”x1.6”
47
48
热设计的发展趋势
v热管技术
ØTherma-Base™heat sinks与型材散热器的比较
49
热设计
l灯具热设计意义
l热设计理论基础
l LED灯具热设计
l热设计仿真模拟50
l对产品的温度场作出预测，使我们在进行产品设计开发时关注热点区域。

l进行各种设计方案的优劣分析，得出最佳的设计方案
任何先进的仿真软件永远无法代替人，软件
只是热设计人员所利用的工具之一。

所以仿
真软件结果的可靠性决定于热设计人员的经
验及理论水平。

51。

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LED热设计及仿真应用

LED热设计及仿真应用


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热设计基本要求
工程上为简便计算，通常采用元器件经降额设计后允许的最高温度值做 为热设计目标。
双极性数字电路降额准则 降额参数 频率 输出电流 最高结温℃ 降额等级 Ⅰ 0.80 0.80 85 Ⅱ 0.90 0.90 100 Ⅲ 0.90 0.90 115
10
热设计基本要求
热设计应满足设备预期工作的热环境的要求
13
热设计应考虑的问题
应考虑太阳辐射给电子设备带来的热问题，应有相应的防护措施 应具有防止诸如燃料油微粒、灰尘、纤维微粒等沉积物和其它老化的 措施，以免增大设备的有效热阻，降低冷却效果 应尽量防止由于工作周期、功率变化、热环境变化以及冷却剂温度变 化引起的热瞬变，使器件的温度波动减小到最低程度 应选择无毒性的冷却剂；直接液体冷却系统的冷却剂应与元器件及相 接触的表面相容，不产生腐蚀和其它化学反应

冷却方法选择
散热器冷却方式的判据
对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于0.039W/cm2， 可采用自然风冷。 对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小于0.024W/cm2， 可采用自然风冷。 通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度大于0.039W/cm2而小 于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。 通风条件较恶劣的场合： 散热器表面的热流密度大于0.024W/cm2而 小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。
对流必然伴随有导热现象。
22
对流
对流分为自然对流和强迫对流两大类。 自然对流是由于流体冷、热各部分的密度不同而引起的。 强迫对流是由于泵、风机或其他压差作用所造成的。
自然对流
23
强迫对流
对流
对流换热系数
对流换热系数的变化范围很大，对于强迫风冷来说，大致在几 十这个数量级，大的可以上百。 沸腾换热及凝结换热也属于对流问题，它们是伴随有相变的对 流换热。
基于LED投光灯的散热设计及热仿真研究

基于LED投光灯的散热设计及热仿真研究

_________________________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。

灯具热设计及仿真模拟

灯具热设计及仿真模拟

Surface Type Paint Paint Paint Paint Paint Metal Metal Metal Metal Finish Black (flat lacquer) Grey White White epoxy Aluminum silicone Nickel Aluminum Silver Gold Emissivity (at 80F) 0.96-0.98 0.84-0.91 0.80-0.95 0.91-0.95 0.02 0.21 0.14 0.10 0.04-0.23
散热设计

大功率LED照明光源需要解决的散热问题涉及 以下几个环节：
– – –
p-Electrode p-Current Spreading Layer p-Cladding Layer Active Layer n-Cladding Layer n-DBR Structure
晶片PN结到外延层 结到外延层； 外延层到封装基板； 封装基板到外部冷却装置再到空气。
上述公式说明，对于一个给定的Q，h和Tf, 表面积越大， 表面温度越低
现两个连接面处被空气间隙隔开 而成为点对点接触 据估计整个

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2011/4/21
散热器效率

散热器选择 通常Rja随着下列因素提高而降低 – 散热器的尺寸 – 散热器周围空气流速 对于一个给定的气流和散热器尺寸，Rja随着fin数目增 加而降低，直到达到一个优化的fin的数目 – 超过这个数字，Rja随着fin的数目增加而增加 – 这是由于压降随着fin数目的增加而增加，因此降低了 对于给定的散热器，Rja随着气流速度提高而降低 – 到了一定程度，Rja降低量可以忽略不计 – 原因是边界层已完全形成
热管技术
LED灯热模拟步骤(solidworks) flow simulation

LED灯热模拟步骤(solidworks) flow simulation

可以在网上查找，导热系数和比热容等相关参数一下要设置。
透 镜 材 料 设 置
Twelfth(第十二步)：设置透镜材质：选中所有透镜，选择材料， 点对勾确定。（一般透镜材料为PMMA，Create/Edit新建材料。
——
材芯 料片 设 置
向 导 设 置
Eighth(第八步)：设置初始环境条件（Initial and Ambient Conditions)。 Thermodynamic Parameters（热参数）→Temperature（温度）（数值可设置与环境温 度数值相同）；设置气流（Velocity parameters)（只设与重力相反方向的气流）； Solid Parameters→intial solid temperature(初始固体温度）（数值设置与环境温 度数值相同）；设置相对湿度Humidity→Relative humidity
设 置 初 始 网 格 （ 手 动 ）
3.Refining Cells→Refine solid cells→level of refining solid(设置 固体划分等级）
设 置 初 始 网 格 （ 手 动 ）
4.Narrow Channels→Enable narrow channels refinement→Characteristic number of cells across a narrow channel/Narrow channels refinement level(设置模型间细小缝隙 划分等级）
铝 基 板
Thirteenth(第十三步)：设置芯片和铝基板材质：芯片一般设为铜， 铝基板根据厂家提供参数来设置。
设 置 导 热 胶 和 芯 片 热 阻
Fourteenth(第十四步)：Flow Simulation→Insert→Contact Resistance,(设置导热胶和芯片热阻）。