LED照明設計的散熱問題分析

LED照明作為新一代照明受到了廣泛的關注。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 等方面對如何運用LED 特性的設計進行解說。

　　近年來,隨著電子產品的高密度、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,光源的發熱少;而LED,除了作為可視光消耗的能量,其它能量都轉換成了熱。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為熱產生的各種問題。主要有：

　　1. 因為熱膨脹導致彎曲和龜裂

　　2. 電子電路的運行障礙

　　3. 材料品質惡化

　　除此之外,也會擔心如果發熱會不會損壞設備?為了避免這些問題,要盡量控制電子設備的溫度,也就是說有效散熱很重要,重點是考慮機器的使用環境和安裝方法制定最佳的熱解決方案。 下面列舉了由熱導致的問題。后半部分以LED燈 為例,就LED相關的解決方案進行解說。

　　由熱導致的問題

　　1.因為熱膨脹導致彎曲和龜裂

　　電子設備由多個零件構成,每個零件的材質都不一樣,熱脹冷縮的尺度也不一樣。因此, 當各種材質組合在一起的時候就有可能使材質發生彎曲,膨脹時,產品在連接處因為應力過多就會產生龜裂。

　　2.電子電路的運行障礙

　　一般來說,作為熱源的半導體 元件 ,有這樣一個特性,即當電子設備中的半導體元件溫度上升,電的阻抗就會變小。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,進而容易發生燒斷的現象。

　　3.材料品質的惡化

　　一般說來,電子設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經過高溫氧化,就會縮短其壽命。同時,反復加熱,材料多次膨脹,多次冷縮,會降低材料的強度,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。

　　要避免電子設備的發熱有多種方法。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封裝時不能直接連接散熱器,也沒有安裝風扇的位置。而且內部電源電路 板也會產生熱量,因此LED燈的散熱問題可以說是一個非常棘手的問題。這樣,如何有效使用LED安裝材質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安裝材質和散熱器呢?首先必須把握產生熱的傳熱路徑。

　　LED元件產生的熱通過封裝的導線向電路板移動 ,然后再通過散熱器放熱。電源電路板產生的熱也是如此,通過電路板周圍的空氣和填充材質,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熱性能好的材質、擴大路徑的斷面面積(例如,粗的銅線比細的銅線更容易導熱)、涂導熱潤滑劑使產品的連接部位不留空隙。

　　另外,即使通過這些提高了導熱特性,但如果散熱器不向外部散熱,內部還是會聚集很多熱。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散熱片,擴大散熱器的放熱面積。

　　運用CAE工具,通過仿真驗證熱解決方案

　　CAE的運用

　　那么怎樣驗證熱解決方法是否有效呢?一種是通過實驗測量 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軟件進行仿真。 圖2 運用ANSYS解析軟件,在LED燈橫向擺放時,對LED燈周圍的熱和空氣的流動進行仿真。(?。?(??)是整個燈的溫度分布圖,紅色部分代表溫度高,藍色部分代表溫度低。(?#?(?ぃ┦塹樸胩ED封裝周邊(蓋子內部)的自然對流圖,紅色箭頭部分表示對流速度快,藍色部分表示對流速度慢。與實際情況相比,這個例子只是一個非常簡單的模型,但從某種程度上卻能驗證產品的溫度分布和空氣的自然對流。 從整個燈的溫度分布來看,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均等的溫度分布。這表面產生的熱量大部分都轉移到散熱器上,而且傳送路徑中沒有障礙。散熱器可以起到一個散熱的作用,但是如果散熱特性不好,整個燈的溫度就會上升,因此必須注意散熱器的形狀(安裝散熱片的大小、形狀、個數等)。

圖2 根據ANSYS進行熱流體解析的結果圖

　　仿真中需要解析對象的形狀、產品特性、條件等各種信息,但是通過想要確認的信息可以區別簡易解析模型和詳細解析模型,從而有效把握想要驗證的熱解決方法的好壞。例如,本例是對整個電燈的簡易建模,并不能把握LED封裝內部詳細的溫度分布,但是如果對該部分進行詳細的建模,就能夠確認元件實際的溫度。

　　反復實驗,通過仿真修改部分信息就可以簡單的進行操作,例如容易把握散熱器中散熱片的形狀和個數對溫度的影響。作為仿真用軟件,可以直接使用CAD信息進行分析,可以在統一環境中對構造、導熱、熱流體等進行廣泛的分析,而且可以進行各種組合分析。在設計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行仿真的一個關鍵點,這些我們在后面進行論述。

　　本次僅就熱的問題進行了探討,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現整體的最優化設計。下次我們將針對電路和光學設計的問題展開討論。