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。
LED日光灯驱动电路设计及仿真分析目前小功率LED在使用时会对LED进行并联、串联，而使用过程中只要有一个LED 短路或开路，都将导致小片或整条LED熄灭，影响照明效果，因此研究简单、廉价的驱动电路具有重要的意义。
本文介绍了LED日光灯驱动的特点，设计了实用的电容降压式LED日光灯驱动电路，着重分析了关键元件参数的选择原则。
采用PSp ice仿真软件对设计的电路进行了可行性验证，并在此基础上制作了实物电路，用作12W T8标准LED日光灯电源。
经实验验证，该电路稳定可靠，成本低，适用于多种小功率LED驱动。
1 日光灯电路设计1. 1 LED日光灯驱动目前小功率照明产品中，广泛使用两种驱动电路形式：恒流驱动和稳压驱动。
前者电路输出的电流是恒定的，输出电压随负载的变化而变化，且恒流驱动通常使用恒流IC,使用时对IC承受的最大电压值要求较高，限制了LED 使用的数量。
后者输出电压是固定的，输出电流随负载（LED）数量的增减而变化。
实验证实，由于LED封装中其正向压降离散值较大，且LED亮度输出与其电流成正比，LED 亮度一致性较差，但通过串加合适电阻可以使每串LED亮度平均，较适于低端照明市场。
1. 2 LED日光灯电路设计LED日光灯驱动电路原理图如图1所示。
图1 LED日光灯驱动电路该电路共驱动140只白光LED （小功率）,采用35串4并的模式，采用电容降压式驱动方式。
其中，C1、C4 为并联的两个相同的电容，起降压及限流作用；4个1N4007组成的整流桥对输入交流电压进行整流；滤波电容C3 用于滤除整流输出电压中的交流成分，使电压更为平滑；L1、C2 用于滤除输出电压中的高频成分；电阻R4 为C3 提供放电回路；采用单向晶闸管SCR729210对电路进行保护， R3 为限流电阻。
1. 2. 1 降压电容选择因为通过降压电容C 向负载提供的电流IO实际上就是流过C 的充放电电流IC.当负载电流IO 小于C的充放电电流IC 时，多余的电流就会流过滤波电容C2。
LED球泡灯方案范文热仿真--Verion3DraftedbyKira_pengupdated2022/01/17方案总览方案一方案二方案三方案四市场常见方案松下方案电源光源分体结构电源光源分体结构方案五方案六方案八结构性能同方案四电源光源分体结构铝散热器内嵌方案说明目的：方法：为了弄清市面各款LED灯泡结构的散热性能情况，并在此基础上研发一款散热性能领先的散热结构。
通过选取市面上通用的一款8-9wLEDBulb（方案一）为基准，在参考其结构，功耗，外形尺寸的条件下，演变出后面的方案二-六。
所有的方案通过CFD进行模拟，在同一基准下进行对比，分辨各方案的优劣。
仿真可靠性：采用CFD方真的方式进行各方案的对比，在缺少实样的情况下，虽无法精确验证仿真温度与样品实测温度的误差，但由于各方案是在同一平台同一条件下进行的CFD仿真，对于各方案的优劣对比是有效的，可以作为选择方案的参考。
CFD建模说明求解域：200mm某200mm某500mm;3边界条件：12为opening;456为wall;求解器：Flow,Heattranfer,Radiation;14重力热功耗：Led某9,P=0.56w/pc,共5w;电源P=1.5w;其它条件：30℃,重力-z方向；环温5005热传导系数(w/mk)90204380某,y(100);z(10)3800.20.240.2482热辐射发射率0.80.80.60.80.60.90.90.90.90.90.540.9200200236材料属性：部件名称散热器散热器LEDLEDPCB电源灯罩塑料内壳塑料内壳灯头座灯头座灯头灌封胶材料名称压铸铝旋压铝铜MCPCB铜PCPC导热塑料PA46PC导热塑料PA46SUS304NA方案一605.电源模块3.铝压铸散热器6.灯头组1101.灯罩2.Led模块4.塑料内壳7.灌封胶市场典型结构分解图此方案分为两个部分进行对比，塑料采用普通的PC材料，其它参照“材料属性表”:A:电源无灌封胶方案；B:电源用灌封胶密封方案；说明方案一结果（A）电源Tma某=95.5比LED芯片温度高出不少；LedTma某=74.6从模拟可以发现，传统结构中，因电源与led发热造成相互影响，造成电源温度明显小结论：方案一结果（B）电源Tma某=75.3LedTma某=74.4加入灌封胶后，可以发现电源温度有明显下降，降温越20℃，而LED的温度基本不小结论：受影响。
热仿真技术在LED照明产品设计中的应用王劲刘乃涛梁秉文（南京汉德森科技股份有限公司）摘要随着高光通量LED在照明领域的逐渐推广,单个LED产品的功率越来越大,热设计已经成为确定产品方案时必须考虑的重要因素。
同时，设计人员必须在产品性能保证的前提下尽快确定合理的方案.在这种情况下,引入快速、高效的仿真技术十分必要。
本文以一个实例介绍了如何利用热仿真技术对LED照明产品的设计进行分析，并确定最佳产品设计方案的过程。
关键词热仿真温升LED 照明前言随着高光通量LED在照明领域的逐渐推广，单个产品的功率越来越大，这对产品的热设计提出了很高的要求，高光通量LED应用的瓶颈之一即是散热问题，如果散热问题得到合理的解决,LED 的应用范围将会更广。
传统的散热设计依靠手工计算,设计方法过于简单而且耗时，结果也很难满足设计要求,在产品设计周期日益缩短的市场环境下，已经不能适应现代化产品的设计要求。
在激烈的竞争压力下，企业迫切需要可靠性高、成本低且周期短的设计方法。
计算机辅助工程（CAE）的引入有效地缩短了新产品的研发周期。
例如在热学设计方面，在产品设计之初即将设计模型引入CAE软件中，在边界上施加与实际大致相符的边界条件,计算其温度场的分布，以此来对不同的方案进行选择。
这种虚拟的方法相当于用计算机来做热试验,并且具备快速、直观的特点,可以提供更多的数据，为产品的优化设计提供必要的支持。
本文以一个实例介绍利用热仿真技术对产品的设计进行仿真分析，通过分析比较挑选出适合设计方案的整个过程.1 产品的设计方案本案例是依据客户要求,设计一款3W射灯，体积有一定的限制，30℃环境温度下使用，表面温度不超过55℃.由于对体积有限制，经过多次论证, 确定有三种设计选择，在此分别称为方案a、b和c。
这三种设计方案的内部机械结构如图1所示:1—上端盖2—LED放置板3—驱动电路位置4—下部散热端图1 射灯内部结构在此结构中，上端盖1与下部散热端4之间、LED放置板与下部散热端之间都以螺纹连接。
LED照明设计的散热问题与热模拟解析在这里，我们将重点讨论散热问题，以及热模拟如何帮助开发团队开发出可靠的、符合外形尺寸和性能的产品（图1）。
对于给定的环境，灯具的设计如何有效地消散内部产生的热量与温度直接相关。
1 设计挑战用于LED驱动 2 适配驱动电路如何将所有这些东西都放在可用的空间中，同时确保成品内部和外部关键点的温度保持在可接受的范围内。
这时候，热模拟就能起到作用，特别是在整个设计过程中。
图2示出了在热模拟下有良好散热的芯片模块范例。
3 热模拟的好处热模拟让迭代设计更快，可以尝试多种散热管理的选择，并最终缩短产品上市时间。
3 在开发过程中模拟 5 输入数据影响结果 6 热模拟的准确性Optimal Thermal Solutions BV的热设计专家Norbert Engelberts使用热模拟工具，开展了一系列LED的照明项目。
第一个是为欧洲市场设计一款LED灯替代60W白炽E27型A型灯。
设计目标是用对流冷却实现尽可能低的散热片温度，从而最大限度地延长灯泡的使用寿命。
随着温度的升高，运行寿命降低。
使用热建模来优化散热器设计，并且在评估最终产品时，发现模拟精确到测量温度的5％以内。
设计筒灯时也出现了同样的精度。
设计目标是确定可以使用的最小的散热片，同时确保LED结温保持在100°C的极限内。
测量温度和模拟温度之间的总体差异仅为4.6％。
Engelberts在路灯的开发中也使用了热模型。
这里面临的挑战是确保IP66密封外壳内的有效热管理，其尺寸和形状取决于要被替换的传统灯泡的尺寸和形状。
灯的重量是一个关键问题，所以散热器需要保持在最小的尺寸，而又不会影响产品的使用寿命。
从最初的设计到最后的设计，灯内各点的平均温度降低了19％，有些点降低了35％。
最终产品仅比传统灯具重13％，但更可靠、更节能。
编译| James。
1.灯具热设计意义
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
2.电子失效的主要原因
3.电子产品失效与温升
4.热设计理论基础
热设计的基本问题
–耗散的热量决定了温升，因此也决定了任一给定结构的温度；
–热量以导热、对流及辐射传递出去，每种形式传递的热量与其
热阻成反比；
–热量、热阻和温度是热设计中的重要参数；
–所有的冷却系统应是最简单又最经济的，并适合于特定的电气
和机械、环境条件，同时满足可靠性要求；
–热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计同时进行，当出
现矛盾时，应进行权衡分析，折衷解决;
5.热传播方式
热传导
–传导是发生在两种直接接触的介质（固体，液体，气体）
–传导过程中，能量通过以下方式传递
自由电子运动
点阵振动
6.热阻
–热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能
力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。
用热耗乘以热阻，即可获得该传热路径上的温升。
–可以用一个简单的模拟来解释热阻的意义，换热量相当于电流，温差相当于电压，则热阻相当于电阻。
dq/dt=∆T/R
Or：
d q / d t = ΔT / R = 热流T = 温度
A = 横截面积
k = 热导系数
ΔX = 厚度
R =ΔX /（k A）= 热阻
7.对流
–对流发生在有温差的表面和运动流体间的传热
–对流有如下两种方式：
自然对流散热
强制对流散热
External Flow 外流
Internal Flow 内流
dq/dt = 小块到空气的全部热量
h = 对流换热系数
A = 有效散热面积
Tw = 热表面温度
Tf = 气流的平均温度
R = 1 /(hA) 热阻
8.热辐射
–辐射发生在两种没有直接接触的表面
–能量通过电磁波传递
–所有物体大于0 K均发生热幅射
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
T1, T2 = 发射面和接受面温度
9.LED光源特性
与传统光源不同，高功率发光二极管（LED）不产生热辐射，而由其PN结向LED封装上的散热片（thermal slug）进行热传导。
由于通过传导方式扩散，LED 产生的热量进入空气的通路较长且成本较高。
10.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：–晶片PN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。
为了取得好的导热效果，三个导热环节应采用热导系数高的材料，并尽量提高对流散热。
11.散热片
12.LED散热基板
a.一般FR4（PCB）
b.金属基PCB
c.陶瓷基板
d.直接铜块结合一般FR4，热导系数0.36
金属氧化作为绝缘层，热导系数20k/mk
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
13.散热片
散热器通过扩大散热面积提高传热效果最常用的散热器是翅片
散热器最常用的散热器材料为铝或铜
现有的散热器种类：
– Stampings 冲压
– Extrusions 拉伸
– Bonded/Fabricated 粘接
– Folded 折叠
– Casting 铸造
针对给定的应用选择散热器，我们必须考虑以下四点：
–从结点到空气的热阻
–允许空间
–可能的空气流量
–散热器的成本
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
热管技术
热管是一种具有高效导热性能的传热器件。
它能够在热源与散热片间以较小的温差实现热传递，也可以在散热器基板表面实现
等温以提高散热器的效率。
14.热设计的发展趋势
热管技术
Therma-Base™ heat sinks与型材散热器的比较
15.热设计
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。
进行各种设计方案的优劣分析，得出最佳的设计方案。
电子设备热设计软件是基于计算传热学技术（NTS ）和计算流体力学技术（CFD ）发展电子设备散热设计辅助分析软件。
目前商业的热设计软件种类繁多，有基于有限体积法的
Flotherm 、I-deas 、Ice-pack 、Tas －Harvard thermal 、Cool it 、Betasoft ，及基 于有限元的Ansys 等，其中Flotherm 、I-deas 、 Ice-pack 占据大部分的市场份额。
16. ANSYS 软件介绍
Ansys 软件是由美国Ansys 公司推出的多物理场 有限元仿真分析软件，涉及结构、热、计算流 体力学、声、电磁等学科，能够有效地进行各 种场的线性和非线性计算及多种物理场相互影 响的耦合分析。
Structure 是该软件面向结构 分析研究的专用模块。
Flortran 是该软件面向流场分析研究的专用模块。
Thermal 是其中面 向热设计研究的专用模块。
17.Flothermal 热分析软件介绍
Flotherm 是英国的FLOMERICS 公司开发的电 子设备热设计软件，其最显著的特点是针对电 子设备的组成结构，提供的热设计组件模型， 根据这些组件模型可以快速的建立机柜、插框、 单板、芯片、风扇、散热器等电子设备的各组成部分。
Flotherm 软件基本上可以分为前处理、求解器和后处理三个部分。
对设计者经 验的依赖度
设计周期
热设计一次 成功率
热设计方案 的优化程度 效率
传统热设计
方法 完全
短 低 低，裕量 大
低
仿真分析方
法
强 长 高
高，裕量 适中
高
–前处理包括Project Manager、Drawing Board和 Flogate。
–求解器是Flosolve模块，它可以完成模型的瞬态和稳态温度场和流场计算。
–后处理部分包括Visulation、Flomotion和Table，Visulation 完成仿真计算结果的可视化显示。
18.ICEPAK 热分析软件优点
ICEPAK是全球CFD的领导者FLUENT公司通过集成ICEM CFD 公司的网格划分及后处理技术而开发成功的针对电子设备冷却分
析的专用热设计软件。
ICEPAK 热分析软件优点
–建模能力：除了有矩形，圆形模型外，还有多种复杂形状模型，如椭球体、多面体、管道、斜板等模型；有thin- conduction 薄板模型
–网格技术：有结构化，非结构化网格；有四面体网格；有四面体、六面体混合网格；能够对复杂模型快速生成高质量网格；支
持结构化与非结构化的non-conformal网格
–求解器：Fluent求解器能够求解多种流体介质问题；能够求解结构化，非结构化网格问题；支持网络并行。
