LED照明设计的散热问题分析

LED照明作为新一代照明受到了广泛的关注。仅仅依靠LED封装 并不能制作出好的照明灯具。本文主要从电子电路、热分析、光学 等方面对如何运用LED 特性的设计进行解说。

　　近年来,随着电子产品的高密度、高集成度,热解决方案的重要性越来越高,LED照明也不例外,也需要热解决方案。 虽然白炽灯和荧光灯的能量损失大,但是大部分能量都是通过红外线直接放射出去,光源的发热少;而LED,除了作为可视光消耗的能量,其它能量都转换成了热。另外,由于LED封装面积小,通过对流和辐射的散热少,从而积累了大量的热。

　　热解决方案是?

　　接下来来考虑怎么制定热解决方案。热解决方案简单的说就是解决因为热产生的各种问题。主要有：

　　1. 因为热膨胀导致弯曲和龟裂

　　2. 电子电路的运行障碍

　　3. 材料品质恶化

　　除此之外,也会担心如果发热会不会损坏设备?为了避免这些问题,要尽量控制电子设备的温度,也就是说有效散热很重要,重点是考虑机器的使用环境和安装方法制定最佳的热解决方案。 下面列举了由热导致的问题。后半部分以LED灯 为例,就LED相关的解决方案进行解说。

　　由热导致的问题

　　1.因为热膨胀导致弯曲和龟裂

　　电子设备由多个零件构成,每个零件的材质都不一样,热胀冷缩的尺度也不一样。因此, 当各种材质组合在一起的时候就有可能使材质发生弯曲,膨胀时,产品在连接处因为应力过多就会产生龟裂。

　　2.电子电路的运行障碍

　　一般来说,作为热源的半导体 元件 ,有这样一个特性,即当电子设备中的半导体元件温度上升,电的阻抗就会变小。这样就容易陷入“温度上升-阻抗下降-电流增加-热增加-温度上升”的恶性循环,进而容易发生烧断的现象。

　　3.材料品质的恶化

　　一般说来,电子设备中使用的材料容易氧化,温度越高氧化越快,如果让这些材料反复经过高温氧化,就会缩短其寿命。同时,反复加热,材料多次膨胀,多次冷缩,会降低材料的强度,从而破坏了材料。

　　LED的热解决方案

　　下面以LED灯为例,具体讨论LED的热解决方案。

　　要避免电子设备的发热有多种方法。比如,加散热器,在热源周围安置能提供冷气的风扇。前者是通过增加散热面积,来增加散热的通道,后者是使热不在热源周围聚集。 但是,正如图1 LED灯的概括图所示,LED封装时不能直接连接散热器,也没有安装风扇的位置。而且内部电源电路 板也会产生热量,因此LED灯的散热问题可以说是一个非常棘手的问题。这样,如何有效使用LED安装材质和散热器就变得很重要。

　　图1 LED灯概括图

　　那么如何有效利用LED安装材质和散热器呢?首先必须把握产生热的传热路径。

　　LED元件产生的热通过封装的导线向电路板移动 ,然后再通过散热器放热。电源电路板产生的热也是如此,通过电路板周围的空气和填充材质,透过散热器向外部散热。

　　热解决方案中重要的是排除传热路径中阻碍传热的因素,比如可以考虑在传热路径中使用导热性能好的材质、扩大路径的断面面积(例如,粗的铜线比细的铜线更容易导热)、涂导热润滑剂使产品的连接部位不留空隙。

　　另外,即使通过这些提高了导热特性,但如果散热器不向外部散热,内部还是会聚集很多热。因此也必须提高散热器表面的放热特性。典型的方法就是在表面多安装几个散热片,扩大散热器的放热面积。

　　运用CAE工具,通过仿真验证热解决方案

　　CAE的运用

　　那么怎样验证热解决方法是否有效呢?一种是通过实验测量 温度,但是一旦条件改变就要重新测量,效率比较低。因此需要使用CAE软件进行仿真。 图2 运用ANSYS解析软件,在LED灯横向摆放时,对LED灯周围的热和空气的流动进行仿真。(?。?(??)是整个灯的温度分布图,红色部分代表温度高,蓝色部分代表温度低。(?#?(?ぃ┦堑朴胩ED封装周边(盖子内部)的自然对流图,红色箭头部分表示对流速度快,蓝色部分表示对流速度慢。与实际情况相比,这个例子只是一个非常简单的模型,但从某种程度上却能验证产品的温度分布和空气的自然对流。 从整个灯的温度分布来看,虽说盖子的温度低,其他部位温度高,但是某种程度上还是处于一个均等的温度分布。这表面产生的热量大部分都转移到散热器上,而且传送路径中没有障碍。散热器可以起到一个散热的作用,但是如果散热特性不好,整个灯的温度就会上升,因此必须注意散热器的形状(安装散热片的大小、形状、个数等)。

图2 根据ANSYS进行热流体解析的结果图

　　仿真中需要解析对象的形状、产品特性、条件等各种信息,但是通过想要确认的信息可以区别简易解析模型和详细解析模型,从而有效把握想要验证的热解决方法的好坏。例如,本例是对整个电灯的简易建模,并不能把握LED封装内部详细的温度分布,但是如果对该部分进行详细的建模,就能够确认元件实际的温度。

　　反复实验,通过仿真修改部分信息就可以简单的进行操作,例如容易把握散热器中散热片的形状和个数对温度的影响。作为仿真用软件,可以直接使用CAD信息进行分析,可以在统一环境中对构造、导热、热流体等进行广泛的分析,而且可以进行各种组合分析。在设计中不仅要考虑热的问题,其他因素也必须考虑,组合分析的难易是熟练进行仿真的一个关键点,这些我们在后面进行论述。

　　本次仅就热的问题进行了探讨,但也存在即使解决了热的问题,却不能解决光、电的问题的情况。产品重在寿命长、无性能损坏、使用安全,因此我们的课题就是实现整体的最优化设计。下次我们将针对电路和光学设计的问题展开讨论。