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熱仿真簡化LED光源的研發(fā)(附圖)

作者: 時(shí)間:2011-05-15 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
簡介

  任何一種形式的電氣照明產(chǎn)品都產(chǎn)生一種負(fù)產(chǎn)品:熱。從白熾到熒光照明,代代工程師都在研發(fā)將熱量最小化或?qū)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/光源">光源或設(shè)備分離熱量的方法。然而led照明,目前正以不斷提高的質(zhì)量和不斷增加的形式,帶來了新的和不同的挑戰(zhàn)。

  熱量的發(fā)展會降低光輸出,引起顏色的改變,同時(shí),縮短元件的使用壽命。據(jù)說,熱管理是到目前為止,對系統(tǒng)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的方面。從一個(gè)工程師的角度而言,這意味著要學(xué)習(xí)跨越結(jié)構(gòu)和電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域常用的工具,要熟悉結(jié)構(gòu)和電子設(shè)計(jì)范疇之外的流程。幸運(yùn)的是,現(xiàn)在已經(jīng)有熱設(shè)計(jì)解決方案,在熱驗(yàn)證和測試挑戰(zhàn)方面,能幫助簡化工程師的設(shè)計(jì)之路。

熱仿真簡化LED光源的研發(fā)(附圖)

  驗(yàn)證設(shè)計(jì)概念

  研發(fā)一種新的系統(tǒng)時(shí),必須驗(yàn)證最基礎(chǔ)的產(chǎn)品概念,使結(jié)構(gòu)方面和美學(xué)方面的想法與熱性能的實(shí)際需要能統(tǒng)一。

  成功的系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵是將活動設(shè)備的熱量有效地從它的PN結(jié)轉(zhuǎn)移到環(huán)境。焊接LED的PCB板和外殼都參與到熱流路徑中。設(shè)計(jì)工程師必須確定,外殼和護(hù)罩在轉(zhuǎn)移熱量方面表現(xiàn)出效率。制造和測試系列實(shí)物樣品來驗(yàn)證這一點(diǎn)是昂貴的,并且需要的時(shí)間多,因此,近日的設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)早期階段一般采用基于軟件的方法。

  比較受歡迎的方法是使用計(jì)算流體力學(xué)(CFD=Computational Fluid Dynamics)分析,以虛擬的方式模擬計(jì)劃中的設(shè)備。對于早期設(shè)計(jì)概念而言,這個(gè)方法比建立實(shí)物樣品要靈活很多,并且一樣有效。虛擬模型將特性很好指出后,實(shí)物樣品就可在此基礎(chǔ)上明確哪些可行,哪些不可行。一直以來,CFD仿真都是由一些具備有高級數(shù)據(jù)和流體力學(xué)背景的分析人士來操作,它要求執(zhí)行分析的人員掌握復(fù)雜的CFD建模工具。

  最新的發(fā)展將CFD技術(shù)帶到了結(jié)構(gòu)工程師的桌面,極大地簡化和加快了分析。新的流程,即同步CFD,將準(zhǔn)備和執(zhí)行仿真分析要求的大部分工作步驟自動化。使用無縫集成在通用MCAD環(huán)境,比如Pro/ENGINEER?,使得結(jié)構(gòu)工程師能對一個(gè)新光源設(shè)計(jì)建立虛擬仿真模型,并檢測散熱性能。

一款無縫集成的同步CFD應(yīng)用比如Mentor Graphcis公司的FloEFD?軟件:

  ––通過直接使用MCAD模型,使用在MCAD應(yīng)用中所保存的設(shè)計(jì)的尺寸和物理特征

  ––檢測流體區(qū)域和固體區(qū)域,并為這些區(qū)域劃分網(wǎng)格,創(chuàng)建高級自動網(wǎng)格

  ––幫助工程師設(shè)置邊界條件

  ––自動提供求解控制設(shè)置,在求解器計(jì)算時(shí)幫助確定收斂

  設(shè)計(jì)驗(yàn)證的底線,不論產(chǎn)品是一款新光源,還是對現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行修改,都應(yīng)是詳細(xì)了解LED設(shè)備的熱表現(xiàn)。如果在研發(fā)的新LED燈具中,放置已有的設(shè)備,那么詳細(xì)了解熱表現(xiàn)也非常重要,因?yàn)閷⒃b置的散熱性能與燈具配套是關(guān)鍵。

  熱數(shù)據(jù)應(yīng)該從LED供應(yīng)商手中獲取,盡管在目前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中缺乏這些信息,在印刷的產(chǎn)品規(guī)格中,提供的信息通常不夠全面。比如,熱性能數(shù)據(jù)通常會提供,但是它也許不包括工作溫度范圍,最終用戶系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)的溫度在哪個(gè)范疇。然而,設(shè)計(jì)工程師必須依靠LED制造商提供的數(shù)據(jù)或簡約模型來執(zhí)行光源評估,或公司內(nèi)部測試,或開始早期光源設(shè)計(jì)。

LED光源的MCAD模型

圖1:LED光源的MCAD模型(點(diǎn)擊圖片放大)

  流程從光源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始。圖1展示的是原始設(shè)計(jì)步驟。描述的系統(tǒng)包含了一個(gè)整體接頭(圖中黃色部分),它連接燈具的外罩,燈具外罩的鰭片起著散熱器的作用。接頭插在一個(gè)套接座上,設(shè)計(jì)套接座有時(shí)候是讓它能進(jìn)一步傳導(dǎo)熱量,作為散熱系統(tǒng)的一部分。然而,在這個(gè)特殊的系統(tǒng)中,套接座只是支撐和連接燈具的一個(gè)工具。光源是一個(gè)功率LED,它安裝在一個(gè)金屬芯PCB上。在圖1中,燈具長度省略了,這是為了更好的展示LED的詳細(xì)信息。

使用同步CFD工具,準(zhǔn)備熱分析的工作就能非常高效地進(jìn)行。同步CFD應(yīng)用產(chǎn)品是無縫集成在MCAD環(huán)境中的,所以光源的尺寸和物理特性就已經(jīng)存在于CFD應(yīng)用中了。具體就如圖1中所展示的。

  如果有需要時(shí),CFD工具也自動模擬分析中需要處理的流體區(qū)域中存在的內(nèi)部空穴。這種需求,在處理管道內(nèi)流體的問題時(shí),更為常見。對于通過光源的氣流以及光源周圍的氣流,這個(gè)應(yīng)用中我們需要關(guān)注。

  創(chuàng)建計(jì)算網(wǎng)格

燈具組件中心切面的計(jì)算網(wǎng)格

(點(diǎn)擊圖片放大)

圖2:燈具組件中心切面的計(jì)算網(wǎng)格

  內(nèi)部溫度及它們的分布是熱分析中關(guān)注的重點(diǎn),同步CFD應(yīng)用(同樣還是使用MCAD數(shù)據(jù))能顯示任何二維面,提供橫截面視圖,展示光源的內(nèi)部情況。然而,首先卻是要?jiǎng)?chuàng)建計(jì)算網(wǎng)格,如圖2。同步CFD自動執(zhí)行這一步驟。

在這里網(wǎng)格只是一個(gè)概念,然而,網(wǎng)格是復(fù)雜的CFD計(jì)算的核心。設(shè)備表面分布著小的矩形單元,每一個(gè)都跨越在實(shí)體和流體間,分開的區(qū)域被單獨(dú)計(jì)算。之后程序生成混合結(jié)果,將所有網(wǎng)格包含在內(nèi)。

  注意到在圖2中,網(wǎng)格單元尺寸不一。與外罩外圍的網(wǎng)格相比,簇集在LED周圍的網(wǎng)格尺寸更小。這是因?yàn)楦呒壍耐紺FD技術(shù)為需要更高網(wǎng)格精度
的區(qū)域自動提供更細(xì)密的網(wǎng)格。

  接下來,工程必須定義邊界條件,它們是在計(jì)算中要用到的設(shè)備的工作參數(shù)和限制。必須設(shè)定外部環(huán)境溫度,以及LED設(shè)備的功率,CFD分析的多次迭代中將使用到。

LED燈具

  圖3:通過燈具中心二維面的溫度,以及矢量,顯示由燈具外部自然對流引起的流動。在該圖和其他相關(guān)云圖中的矢量使用Mentor Graphics公司的FloEFD軟件計(jì)算的。FloEFD是經(jīng)市場證明了的同步CFD產(chǎn)品,無縫集成在MCAD環(huán)境,直接使用結(jié)構(gòu)模型的CFD工具。

  圖3顯示的是橫切面的CFD計(jì)算結(jié)果。它不僅顯示了熱量在燈具實(shí)體部件的分布,也顯示了與燈具外部對流的氣流矢量。這個(gè)案例中的三維圖適合可視化內(nèi)部情況,但是流動矢量適合二維平面。這個(gè)視圖中,顏色從紅(最熱)到藍(lán)(最冷卻),在這兩個(gè)極端之間存在橙色和綠色。

轉(zhuǎn)移熱量

LED燈具

(點(diǎn)擊圖片放大)

  圖4:整個(gè)燈具面朝下時(shí)的粒子跡線,顯示的是自然對流如何在燈具外罩的外部引起空氣的流動。隨著燈具上部流動加速,“熱煙”減少。(注意:為方面閱讀,本圖中的溫度圖例被放大。)

  當(dāng)然,分析的目的是為了確定計(jì)劃的設(shè)計(jì)能夠?qū)崃繌腖ED光源轉(zhuǎn)移,并能安全地將熱量帶到環(huán)境中。圖4,是另外一張同步CFD的視圖,對這個(gè)問題提供了重要的答案。在這張圖中,粒子示蹤的氣流路徑,像是很小的除塵器。同樣,這里顏色代表了熱分布,不過這張圖中,顏色對應(yīng)了數(shù)值。注意這個(gè)流動型態(tài):藍(lán)(冷)空氣從下面進(jìn)入,在經(jīng)過光源時(shí)被加熱成藍(lán)綠色。對流將加熱的空氣往上方帶,并帶走加熱的空氣。這對燈具而言,散熱是否足夠,以及在最終設(shè)計(jì)中是否還會有其他外罩?這個(gè)問題只有設(shè)計(jì)工程師能回答,但是同步CFD分析已經(jīng)提供了數(shù)據(jù),幫助做出判斷。

LED燈具

圖5:MCAD模型上的表面溫度預(yù)測(點(diǎn)擊圖片放大)

  圖5提供了另外一些信息。這張是圖1的實(shí)體模型中LED以及外殼整體組件的熱梯度圖。圖例提供了溫度的詳細(xì)信息。依據(jù)這些信息,容易做出判斷,比如觸摸溫度是否在安全范圍內(nèi)。

  總結(jié)

  同步CFD仿真/分析流程如Mentor Graphics公司的FloEFD軟件,對于改善設(shè)計(jì)概念是不可或缺的。與創(chuàng)建實(shí)物樣品和測試樣品相比,它要便宜很多;而同步CFD中創(chuàng)建的自動流程意味著,第一次評估的周期準(zhǔn)備工作簡單,而對之后每一次的仿真,操作起來則更快捷。提倡在設(shè)計(jì)完全和的確被優(yōu)化后,再建立實(shí)物樣品,是一種環(huán)境走勢。同步CFD能用來快速決定鐘型外罩的最佳開槽數(shù)目,以及各槽之間金屬的厚度,從而將熱量擴(kuò)散到環(huán)境的數(shù)量最大化。

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