大功率LED照明器的熱設(shè)計(jì)
劉 靜 劉生春
(延安大學(xué)物理學(xué)院,陜西延安716000)
摘要 采用等效電路的熱阻法計(jì)算了大功率LED照明器的熱阻,并估算了散熱器的面積,然后利用Icepak軟件進(jìn)行建模分析。通過改變散熱器翅片的高度、類型及散熱器的面積,比較模擬軟件計(jì)算后的溫度分布與原始溫度,分析得出翅片在增加高度時改變散熱性能最為明顯,為大功率LED照明器的熱設(shè)計(jì)提供了參考。
關(guān)鍵詞 Icepak軟件;熱阻;大功率LED照明器;散熱仿真
1 引 言
白光LED作為新一代綠色環(huán)保型固體照明光源,已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。與傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈相比,它具有亮度高、能耗低、壽命長、方向性好、響應(yīng)快、無輻射、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。目前單顆LED的輸出光通量較低,對于一般照明,需要將LED集成于一個模組以達(dá)到所需的亮度。但LED的光電轉(zhuǎn)換效率極差,只有10%～20%的電能轉(zhuǎn)化為光輸出,其余的轉(zhuǎn)化為熱能。因此,當(dāng)使用多顆LED組裝成一個模組,極差的轉(zhuǎn)換效率將會帶來散熱問題,熱量使大功率LED的溫度上升,從而導(dǎo)致工作電壓減小,光強(qiáng)減小,光波長變長,嚴(yán)重縮短LED的壽命,加速其光衰等[2]。為了使LED能正常工作,必須對LED的熱場分布進(jìn)行分析研究,本文將用Icepak軟件對自行設(shè)計(jì)的大功率LED進(jìn)行建模,仿真分析,保證大功率LED在允許的溫度范圍內(nèi)工作。
2 大功率LED的散熱分析
LED芯片的散熱方式主要是傳導(dǎo)和對流[3]。按照目前發(fā)光管管芯材料的耐溫水平,通常結(jié)溫不能大于125℃(K2系列產(chǎn)品的結(jié)溫已達(dá)到150℃)[4]。結(jié)溫Tj是衡量LED封裝散熱性能的一個重要指標(biāo)[5]。結(jié)溫的表達(dá)式為
Tj=Rja×Pd+Ta(1)
其中,Pd為耗散的功率,Rja為LED器件PN結(jié)與環(huán)境溫度的總熱阻,Tj,Ta分別為LED器件PN結(jié)的結(jié)點(diǎn)溫度和器件周圍的環(huán)境溫度。式(1)表明,在同樣大小的功率下,芯片結(jié)溫升溫越小,LED器件的性能越好。
2.1 熱阻Rba的評估計(jì)算
對于單個LED,設(shè)定PN結(jié)點(diǎn)生成的熱沿著以下簡化的熱路徑傳導(dǎo):結(jié)點(diǎn)→熱沉→鋁基散熱電路板→空氣/環(huán)境,如圖1所示。
采用等效電路的熱阻法進(jìn)行計(jì)算[5],PN結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的總熱阻:
Rja=Rjs+Rsb+Rba(2)
其中,Rjs,Rsb,rba分別是從結(jié)點(diǎn)到熱沉,熱沉到散熱電路板,散熱電路板到空氣/環(huán)境的熱阻。設(shè)環(huán)境溫度為50℃,本文設(shè)計(jì)的是由50個LED組成的大功率LED照明器,總功率為50W,根據(jù)式(1),可得Rja=Tj-TaPd=80-5050=0.6℃/W,類型為LUXEONK2withTFFC的熱阻可達(dá)到5.5℃/W,本文選擇熱阻為8℃/W的LED,即Rjb=8℃/W,根據(jù)式(2),可得:Rba=Rja-Rjbn=0.6-850=0.44℃/W,而傳導(dǎo)熱阻Rba為0.44℃/W的散熱器是可以滿足的。
2.2 鋁散熱器的面積估算
在鋁散熱器與空氣對流時,散熱器的形狀和位置不同,散熱效果則不同[6]。使流體沿著肋片的表面流過,此時的散熱效果最好。此時的熱傳遞系數(shù)為
h=1.49Δtd0.25(3)
設(shè)定翅片的基座高為78mm,翅片的高為45mm,散熱器的溫度不超過70℃,外部環(huán)境溫度為50℃,根據(jù)式(3)得:h=1.49Δtd0.25=1.49×70-500.1230.25=5.32W/℃?m2
裝有翅片的傳熱過程的公式[7]為
Q=h總A?Δt=Δt?A1δλ+1hηtβ=ΔtR(4)
R=δλ+1hηtβ/A1(5)
其中,λ是鋁的熱導(dǎo)率,查表得200W/℃?m,δ是散熱器肋基的厚度設(shè)為78mm,β=A2/A1(一般大于10,本文設(shè)β=9)是A2散熱肋片總的面積的和與A1散熱肋基的面積的比值,由等截面矩形肋散熱效率計(jì)算公式求得:η=92.86%,R為傳熱熱阻。由式(5),得到A1=520.03cm2,由式(4),可求得:Δt=QR=500.44=22℃,即ts=Δt+50=72℃。
因?yàn)樯崞鳒囟炔荒艽笥?0℃,而以上計(jì)算的值超過了允許的范圍,所以要調(diào)整散熱器的大小,可以增大散熱器肋基的面積,調(diào)整后設(shè)定散熱器肋基的面積為296mm×226mm。
3 Icepak軟件的仿真和分析
3.1 Icepak軟件建模與仿真
本文所設(shè)計(jì)的大功率LED照明器是由50個LED組成的模組,每個芯片的功率為1W,那么照明器總的發(fā)熱功率為50W。散熱器的尺寸如表1所示。
設(shè)定外部環(huán)境溫度為50℃,用Icepak軟件進(jìn)行仿真,分析其穩(wěn)態(tài)條件下的溫度分布圖。首先建立模型,將照明器轉(zhuǎn)化為Icepak軟件認(rèn)可的模型,即將LED芯片等效為熱源,每個熱源的功率設(shè)為1W,將熱源貼在散熱器上,對于對熱分析影響不大的細(xì)節(jié)可以簡化,這樣可提高運(yùn)算速度。建模之后劃分網(wǎng)格,最后進(jìn)行求解計(jì)算,得出溫度分布圖,如圖2所示,最高溫度出現(xiàn)在熱源Tmax=70.76℃。
選定熱源的最大值為優(yōu)化目標(biāo),比較優(yōu)化前后幾何參數(shù)的變化及對熱源的影響。
3.2 改變參數(shù)與結(jié)果分析
1)散熱器翅片高度的影響
在分析過程中,只改變翅片的高度,保持其他幾何參數(shù)和環(huán)境條件均不變,仿真后得出散熱器的高度與熱源最高溫度如表2所示。
從表中數(shù)據(jù)可以看出,翅片高度的改變對散熱器有很大的影響,一般增加散熱器的高度,器件的熱量更容易通過翅片散至周圍空間。一般翅片的高度加倍,則散熱能力為原來的1.4倍(影響功率器件散熱器散熱性能的幾何因素分析)。但是過分地增加翅片的高度會增大器件的體積,不符合現(xiàn)在電子器件體積小,重量輕的要求。因此,在優(yōu)化時應(yīng)該權(quán)衡考慮。
2)散熱器類型的影響
原始散熱器使用的是擠壓式散熱器,在保證其他幾何參數(shù)和外部環(huán)境不變的情況下,分別用柱狀針式散熱器和聯(lián)結(jié)式散熱器,用Icepak軟件優(yōu)化結(jié)果如表3所示。
從表中數(shù)據(jù)可以看出,改變散熱器翅片的類型可以改變結(jié)溫,但是溫度變化
不是很大,而且柱狀針式散熱器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,加工不如擠壓式散熱器簡單。
3)散熱器面積的影響
在保證外部環(huán)境不變的情況下,改變散熱器的面積,這樣芯片的間距也會變
大,不改變芯片的間距,觀察此時芯片溫度的變化,如表4所示。
通過數(shù)據(jù)比較可知,改變散熱器翅片的形狀以及散熱器面積不如改變散熱器翅片的高度對芯片結(jié)溫的影響明顯。適當(dāng)增加高度改變散熱器的熱效果,但
從體積、重量的角度考慮要合理設(shè)計(jì),得到最佳的散熱效果。
4 結(jié) 論
本文先用等效電路的熱阻分析法,選取合適的簡化模型計(jì)算其熱阻,再根據(jù)
熱阻與散熱器面積、形狀等關(guān)系設(shè)計(jì)尺寸。利用Icepak軟件進(jìn)行建模、仿真,模擬芯片工作時的溫度分布,改變散熱器的幾何參數(shù),比較分析后得出翅片在增加高度時改變散熱性能最明顯。Icepak軟件建模簡單,模擬LED芯片工作時熱傳導(dǎo)的傳遞路徑,其求解數(shù)據(jù)能為LED的散熱設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。