LED照明設(shè)計(jì)的散熱問題分析（圖）

　　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)測量溫度，但是一旦條件改變就要重新測量，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LED燈周圍的熱和空氣的流動(dòng)進(jìn)行仿真。上圖是整個(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。下圖是LED封裝周邊(蓋子內(nèi)部)的自然對流圖，紅色箭頭部分表示對流速度快，藍(lán)色部分表示對流速度慢。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，本例是對整個(gè)電燈的簡易建模，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)，這些我們在后面進(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、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)。下次我們將針對電路和光學(xué)設(shè)計(jì)的問題展開討論。