灯具LED热设计及仿真模拟.docx

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灯具LED热设计及仿真模拟

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：

dq/dt=ΔT/R=热流

T=温度

A=横截面积

k=热导系数

ΔX=厚度

R=ΔX/（kA）=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

ExternalFlow外流

InternalFlow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0K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（thermalslug）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PCBc.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™heatsinks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。

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

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－Harvardthermal、Coolit、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。

–前处理包括ProjectManager、DrawingBoard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ICEMCFD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。