LED照明产品热仿真技术

LED照明产品热仿真技术散热设计是LED照明产品开发的关键技术之一。热仿真是电子产品散热设计的一项主要内容，广泛用于预测许多电子产品散热方案可行性、优化电子产品的散热设计以及为需要进行热测试的电子产品确定最有效的测试方案等。准确快速的热仿真可以缩短产品开发周期、降低开发成本。本文系统论述了LED照明产品热仿真的基本原理和方法，并给出了热仿真的典型案例，对于LED照明产品热仿真具有重要的参考意义。一、LED照明产品热仿真概述1、数值计算方法热仿真是一种利用数值计算对流动与传热问题进行求解的方法，是与试验(测试)和理论分析相并列的第三种分析方法。数值计算就是把计算域内有限数量位置(网格节点)上的因变量值当作基本的未知量，并根据需要求解的控制方程(微分方程)提供一组关于这些未知量的代数方程，以及求解这组方程的算法，从而在每一个网格节点上直接求解控制方程的方法。电子产品热仿真需要求解的控制方程主要包括质量守恒方程(连续性方程)、动量方程(运动微分方程)、能量方程以及求解湍流N-S方程所需要的补充方程等。2、热仿真软件理论上所有的CFD(Computational Fluid Dynamics：流体动力学)软件都可以作为电子产品热仿真的软件。CFD软件大体可以分为通用CFD软件、工程化的CFD软件和电子散热专用热仿真软件三类。一般情况下，通用CFD软件(如FLUENT 等)对用户的专业知识背景要求较高，并且软件操作较复杂。电子散热专用软件是专门针对电子产品散热设计开发的热仿真软件，对用户CFD专业知识背景要求较低，操作也较简单，并且提供了大量的电子散热常用组件，这类软件主要包括Flotherm 和Icepak 等。工程化的CFD软件性能介于通用CFD软件与电子散热专用软件之间，其采用工程化的操作界面，操作较简单，计算能力较强。如CFdesign和FloEFD都能够方便地导入CAD 模型，并且还增加了部分常用的电子散热组件。3、热仿真的特点热仿真与热测试的区别主要包括：(1)热仿真不需要样品，所以可以在产品开发前期预测产品方案的可行性；(2)热仿真边界条件为理想的条件，如准确的环境温度及环境风速等，而热测试的环境温度及风速很难实现精准的控制；(3)考虑到计算的速度和精度，热仿真模型需要对产品实际模型进行简化。热仿真的优势包括：(1)不需要样品，可以快速优化方案；(2)可以区分以不同方式(对流和热辐射)传递的热量，便于对产品进行直观的热流分析及有针对性地改进散热设计。另外，热仿真与热测试的条件及方法的差别导致热仿真与热测试的结果往往存在一定的偏差。所以，热仿真结果一般不作为散热方案可行性的最终判据。并且，一味地追求热仿真与热测试结果的一致也是毫无意义、徒劳无功的。二、LED照明产品热仿真方法1、热仿真模型的建立及简化热仿真模型的建立包括几何模型的导入或建立、环境变量(环境温度、风速、重力方向及大小等)设置、求解域大小设定、网格划分、计算收敛标准设定、材料属性(密度、比热容、导热系数、表面的发射率，即热辐射率等)定义、热源设置等。热仿真开始前需要正确定义以上每一项内容，以便得到正确的结果。一般情况下，热仿真模型都需要对产品的几何模型进行简化。因为一些尺寸较小的特征和零部件往往会极大地增加网格数量，不但增加计算量，而且会降低网格质量，影响计算精度。这些小的特征和零部件对产品散热的影响一般都较小，如果对散热影响较大也可以通过估算的方式评估该影响。一般，需要进行简化的特征及零部件主要包括：(1)较小尺寸的特征：如螺纹、导角、非散热的孔、翅片波纹等；(2)较小尺寸的零部件：如螺丝、弹簧、卡扣等；(3)较小热流密度的接触热阻：如1W/cm2以下的接触热阻等(对于某些热仿真软件，如FloEFD等，软件有提供模拟接触热阻的组件，可以采用接触热阻组件模拟接触热阻)；(4)热源的简化：对于LED照明产品来说，热仿真主要分为系统级(照明产品)与封装级两个层级。系统级热仿真，一般将LED简化为均匀的体热源，计算出来的温度作为LED管脚的温度，LED的结温需要利用LED的封装热阻及功率进行计算；LED封装级的热仿真是为了优化LED封装的结构，减小LED的封装热阻，所以要考虑LED的详细结构。2、热仿真结果分析热仿真结果主要包括温度、速度(流动)及热流分布(热量传输途径)的结果。图1 某LED射灯灯体的温度分布对于模型中的温度分布，主要注意模型中温度梯度(温差)较大的区域或者环节，以便改进散热设计。图2 某LED灯具腔体内的流场分布对于模型中的流场分布，主要注意流场中流动较弱(流速较小)或流动死区以及有回流发生的区域，以便改进流道设计。由于热仿真方法可以区分以不同方式(对流和热辐射)传递的热量，所以将以不同方式传递的热量分开来，详细分析产品的热流分布规律，更有针对性地改进散热设计，也是热仿真的一个重要内容。三、LED照明产品热仿真案例1、某LED吸顶灯散热方案预测(1)设计方案图3为一款LED吸顶灯的设计方案。该设计的特点是LED焊接在一组PCB板条上，PCB板条位于吸顶灯灯壳内并悬空。LED的热量全部通过热辐射及腔体内空气的流动传输到灯壳内表面，然后通过导热传输到灯壳外表面，之后才能通过对流及热辐射的方式进行散热。图3 某LED吸顶灯设计方案该例热仿真的目的是为了初步验证该设计方案能否满足LED散热的要求。(2)热仿真模型由于该LED吸顶灯结构较简单，对其几何模型稍作修改即可用来作为热仿真模型(图4)。 图4 某LED吸顶灯热仿真模型(3)热仿真条件环境温度：25.0热辐射背景温度：25.0PCB(一种导热玻璃纤维)导热系数：2.0 W/mK塑料灯壳导热系数：0.5W/mK灯壳及PCB表面热辐射率：0.85用均匀发热体代替LED、驱动、控制模块LED发热量：LED功耗的85%驱动发热量：输入功率的10%控制模块发热量：模块输入功率的10%(4)热仿真结果图5 热仿真结果：温度分布图热仿真结果LED管脚最高温度为48.6，假定LED热阻为250/W，则LED的结温约为：48.6+2500.06=63.6热仿真结果初步表明，该设计方案可以满足LED散热的要求。需要注意的是，前文有提到由于热仿真结果往往与热测试结果存在一定偏差，热仿真结果一般不作为产品散热方案可行性的最终判据，所以该设计方案的可行性仍然需要通过对样灯进行热测试来验证。2、某LED射灯散热器的优化(1)热仿真模型如图6 所示为某LED射灯热仿真模型1，该模型主要用来改进散热器的结构设计以取得最佳的散热性能。本例影响散热器散热效果的主要是散热器的“翅片数量”及“基体厚度(散热器空心圆柱的壁厚)”，所以下面将对这两个参数进行优化设计。图6 LED射灯热仿真模型1(2)热仿真条件环境温度：25.0热辐射背景温度：25.0LED热源模型用紫铜(导热系数：398W/m-K)圆柱模块代替，发热量4.25WLED基座和散热器采用铝合金AA6063(导热系数：201W/m-K)，基座外圆柱面与散热器内圆柱面贴合，不考虑两者之间的接触热阻。散热器表面采用阳极氧化处理方法，热辐射率设为：0.55(3)热仿真结果表1 散热器翅片数量的优化结果Case散热器基体厚度(mm)散热器翅片数量散热器重量(g)散热器自身温升()LED基座最高温度()14.030 98.20.550.824.025 88.10.549.534.020 78.10.548.944.015 68.10.650.454.010 58.11.054.5图7 LED基座最高温度及散热器重量随散热器翅片数量的变化图7可以看出：散热器翅片数量为20时，LED基座最高温度较低，散热器的效果较好。以下对散热器基体厚度进行优化，散热器内孔孔径不变，翅片外围直径不变，仅改变散热器基体的厚度，对模型进行热仿真得到LED基座最高温度见表2。表2 散热器基体厚度的优化结果Case散热器基体厚度(mm)散热器翅片数量散热器重量(g)散热器自身温升()LED基座最高温度()65.020 85.20.449.374.02078.10.548.983.02071.70.648.592.02066.00.648.6101.02060.90.649.1图8 LED基座最高温度及散热器重量随散热器基体厚度的变化图8可以看出：散热器基体3.0mm时，LED基座温度最低。综上，散热器翅片数量取20，基体厚度取3.0mm，散热器的质量较轻，效果较好。另外，散热器自身的温升代表了散热器温度均匀性，即散热器自身的热阻或者效率。该值越小，散热器的热阻越小、效率越高。该值可以作为散热器设计的重要参考标准之一，另外散热器表面的对流传热系数、辐射换热系数等值也是散热器设计的参考标准。3、环境温度对LED照明产品散热的影响分析由于LED照明产品大多采用自然对流冷却方式。相对于强制对流冷却方式，自然对流冷却的电子产品其辐射换热量所占比例较大。由于辐射换热量与热源及冷源头绝对温度4次方的差值成正比，所以环境温度对热辐射影响较大。本例将利用热仿真方法分析环境温度对自然对流冷却的LED照明产品散热的影响，同时该案例还可以清晰地表明热仿真方法可以分别考虑对流及辐射传热的重要优势。(1)热仿真模型本案例热仿真模型?LED射灯热仿真模型2，与前面LED射灯热仿真模型1基本相同，不同的只是模型2在模型1的基础上增加了上、下端盖(如图9所示)。模型2中上、下端盖材料为塑料，导热系数设为0.2W/m-K。图9 LED射灯热仿真模型2(2)热仿真结果分析改变LED射灯热仿真模型2中的材料发射率，进行热仿真，结果如表3所示。Case散热器材料的发射率环境温度()25.035.045.055.0110产品外表面对流传热量，W4.254.254.254.24产品外表面辐射换热量，W0000热源温度，55.265.976.687.3热源与环境的温差，30.230.931.632.3210.2产品外表面对流传热量，W3.603.523.453.37产品外表面辐射换热量，W0.640.720.790.88热源温度，51.862.172.382.5热源与环境的温差，26.827.127.327.5310.6产品外表面对流传热量，W3.252.932.822.69产品外表面辐射换热量，W1.201.321.431.55热源温度，48.958.868.778.6热源与环境的温差，23.923.823.723.6411.0产品外表面对流传热量，W2.732.602.482.34产品外表面辐射换热量，W1.521.641.781.91热源温度，47.257.066.776.4热源与环境的温差，22.222.021.721.4表3 热仿真结果：环境温度对LED照明产品散热的影响表3热仿真结果可以得到以下结论：(1)对于Case1 ，材料表面发射率为0，即不考虑热辐射。此时，随着环境温度的升高，热源(即LED热源模块)与环境间的温差有所增大。原因是由于随着环境温度的升高，空气的属性会有一定的变化，会引起对流传热的表面传热系数的降低。(2)随着环境温度的升高，照明产品外表面辐射换热量逐渐增大，辐射换热有所强化，辐射换热量占热源总热量的比例逐渐增大(图10)。原因是辐射换热量与热源及冷源(即环境)绝对温度4次方的差值成正比。所以，当环境温度升高时，热源温度的升高相对较少，结果是热源与环境的温差有所减小。图10 辐射换热量占热源总热量的比例(3)环境温度升高时，对流传热减弱会引起热源与环境的温差稍微有所增大；但是另一方面辐射换热的增强会引起热源与环境的温差减小。热仿真结果表明在辐射换热量所占比例小于35%的情况下，热源与环境之间的温差的变化可以忽略不计。四、结论热仿真技术由于其快速、便捷等特有的优势在电子产品散热设计中发挥着越来越重要的作用。熟练掌握热仿真的基本原理和方法对于电子产品及LED照明产品的散热设计是十分必要的。