LED照明設(shè)計(jì)的散熱問題分析

LED照明作為新一代照明受到了廣泛的關(guān)注。僅僅依靠LED封裝 并不能制作出好的照明燈具。本文主要從電子電路、熱分析、光學(xué) 等方面對(duì)如何運(yùn)用LED 特性的設(shè)計(jì)進(jìn)行解說。

　　近年來,隨著電子產(chǎn)品的高密度、高集成度,熱解決方案的重要性越來越高,LED照明也不例外,也需要熱解決方案。 雖然白熾燈和熒光燈的能量損失大,但是大部分能量都是通過紅外線直接放射出去,光源的發(fā)熱少;而LED,除了作為可視光消耗的能量,其它能量都轉(zhuǎn)換成了熱。另外,由于LED封裝面積小,通過對(duì)流和輻射的散熱少,從而積累了大量的熱。

　　熱解決方案是?

　　接下來來考慮怎么制定熱解決方案。熱解決方案簡(jiǎn)單的說就是解決因?yàn)闊岙a(chǎn)生的各種問題。主要有：

　　1. 因?yàn)闊崤蛎泴?dǎo)致彎曲和龜裂

　　2. 電子電路的運(yùn)行障礙

　　3. 材料品質(zhì)惡化

　　除此之外,也會(huì)擔(dān)心如果發(fā)熱會(huì)不會(huì)損壞設(shè)備?為了避免這些問題,要盡量控制電子設(shè)備的溫度,也就是說有效散熱很重要,重點(diǎn)是考慮機(jī)器的使用環(huán)境和安裝方法制定最佳的熱解決方案。 下面列舉了由熱導(dǎo)致的問題。后半部分以LED燈 為例,就LED相關(guān)的解決方案進(jìn)行解說。

　　由熱導(dǎo)致的問題

　　1.因?yàn)闊崤蛎泴?dǎo)致彎曲和龜裂

　　電子設(shè)備由多個(gè)零件構(gòu)成,每個(gè)零件的材質(zhì)都不一樣,熱脹冷縮的尺度也不一樣。因此, 當(dāng)各種材質(zhì)組合在一起的時(shí)候就有可能使材質(zhì)發(fā)生彎曲,膨脹時(shí),產(chǎn)品在連接處因?yàn)閼?yīng)力過多就會(huì)產(chǎn)生龜裂。

　　2.電子電路的運(yùn)行障礙

　　一般來說,作為熱源的半導(dǎo)體 元件 ,有這樣一個(gè)特性,即當(dāng)電子設(shè)備中的半導(dǎo)體元件溫度上升,電的阻抗就會(huì)變小。這樣就容易陷入“溫度上升-阻抗下降-電流增加-熱增加-溫度上升”的惡性循環(huán),進(jìn)而容易發(fā)生燒斷的現(xiàn)象。

　　3.材料品質(zhì)的惡化

　　一般說來,電子設(shè)備中使用的材料容易氧化,溫度越高氧化越快,如果讓這些材料反復(fù)經(jīng)過高溫氧化,就會(huì)縮短其壽命。同時(shí),反復(fù)加熱,材料多次膨脹,多次冷縮,會(huì)降低材料的強(qiáng)度,從而破壞了材料。

　　LED的熱解決方案

　　下面以LED燈為例,具體討論LED的熱解決方案。

　　要避免電子設(shè)備的發(fā)熱有多種方法。比如,加散熱器,在熱源周圍安置能提供冷氣的風(fēng)扇。前者是通過增加散熱面積,來增加散熱的通道,后者是使熱不在熱源周圍聚集。 但是,正如圖1 LED燈的概括圖所示,LED封裝時(shí)不能直接連接散熱器,也沒有安裝風(fēng)扇的位置。而且內(nèi)部電源電路 板也會(huì)產(chǎn)生熱量,因此LED燈的散熱問題可以說是一個(gè)非常棘手的問題。這樣,如何有效使用LED安裝材質(zhì)和散熱器就變得很重要。

　　圖1 LED燈概括圖

　　那么如何有效利用LED安裝材質(zhì)和散熱器呢?首先必須把握產(chǎn)生熱的傳熱路徑。

　　LED元件產(chǎn)生的熱通過封裝的導(dǎo)線向電路板移動(dòng) ,然后再通過散熱器放熱。電源電路板產(chǎn)生的熱也是如此,通過電路板周圍的空氣和填充材質(zhì),透過散熱器向外部散熱。

　　熱解決方案中重要的是排除傳熱路徑中阻礙傳熱的因素,比如可以考慮在傳熱路徑中使用導(dǎo)熱性能好的材質(zhì)、擴(kuò)大路徑的斷面面積(例如,粗的銅線比細(xì)的銅線更容易導(dǎo)熱)、涂導(dǎo)熱潤(rùn)滑劑使產(chǎn)品的連接部位不留空隙。

　　另外,即使通過這些提高了導(dǎo)熱特性,但如果散熱器不向外部散熱,內(nèi)部還是會(huì)聚集很多熱。因此也必須提高散熱器表面的放熱特性。典型的方法就是在表面多安裝幾個(gè)散熱片,擴(kuò)大散熱器的放熱面積。

　　運(yùn)用CAE工具,通過仿真驗(yàn)證熱解決方案

　　CAE的運(yùn)用

　　那么怎樣驗(yàn)證熱解決方法是否有效呢?一種是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量 溫度,但是一旦條件改變就要重新測(cè)量,效率比較低。因此需要使用CAE軟件進(jìn)行仿真。 圖2 運(yùn)用ANSYS解析軟件,在LED燈橫向擺放時(shí),對(duì)LED燈周圍的熱和空氣的流動(dòng)進(jìn)行仿真。(?。?(??)是整個(gè)燈的溫度分布圖,紅色部分代表溫度高,藍(lán)色部分代表溫度低。(?#?(?ぃ┦塹樸胩ED封裝周邊(蓋子內(nèi)部)的自然對(duì)流圖,紅色箭頭部分表示對(duì)流速度快,藍(lán)色部分表示對(duì)流速度慢。與實(shí)際情況相比,這個(gè)例子只是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的模型,但從某種程度上卻能驗(yàn)證產(chǎn)品的溫度分布和空氣的自然對(duì)流。 從整個(gè)燈的溫度分布來看,雖說蓋子的溫度低,其他部位溫度高,但是某種程度上還是處于一個(gè)均等的溫度分布。這表面產(chǎn)生的熱量大部分都轉(zhuǎn)移到散熱器上,而且傳送路徑中沒有障礙。散熱器可以起到一個(gè)散熱的作用,但是如果散熱特性不好,整個(gè)燈的溫度就會(huì)上升,因此必須注意散熱器的形狀(安裝散熱片的大小、形狀、個(gè)數(shù)等)。

圖2 根據(jù)ANSYS進(jìn)行熱流體解析的結(jié)果圖

　　仿真中需要解析對(duì)象的形狀、產(chǎn)品特性、條件等各種信息,但是通過想要確認(rèn)的信息可以區(qū)別簡(jiǎn)易解析模型和詳細(xì)解析模型,從而有效把握想要驗(yàn)證的熱解決方法的好壞。例如,本例是對(duì)整個(gè)電燈的簡(jiǎn)易建模,并不能把握LED封裝內(nèi)部詳細(xì)的溫度分布,但是如果對(duì)該部分進(jìn)行詳細(xì)的建模,就能夠確認(rèn)元件實(shí)際的溫度。

　　反復(fù)實(shí)驗(yàn),通過仿真修改部分信息就可以簡(jiǎn)單的進(jìn)行操作,例如容易把握散熱器中散熱片的形狀和個(gè)數(shù)對(duì)溫度的影響。作為仿真用軟件,可以直接使用CAD信息進(jìn)行分析,可以在統(tǒng)一環(huán)境中對(duì)構(gòu)造、導(dǎo)熱、熱流體等進(jìn)行廣泛的分析,而且可以進(jìn)行各種組合分析。在設(shè)計(jì)中不僅要考慮熱的問題,其他因素也必須考慮,組合分析的難易是熟練進(jìn)行仿真的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),這些我們?cè)诤竺孢M(jìn)行論述。

　　本次僅就熱的問題進(jìn)行了探討,但也存在即使解決了熱的問題,卻不能解決光、電的問題的情況。產(chǎn)品重在壽命長(zhǎng)、無性能損壞、使用安全,因此我們的課題就是實(shí)現(xiàn)整體的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。下次我們將針對(duì)電路和光學(xué)設(shè)計(jì)的問題展開討論。