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1、 2010年第2期中 国 照 明 电 器CH I NA L IGHT ther mal analysis; junction temperature1 引言随着温度升高,LED的失效率会大大增加,而且光衰会加剧、 寿命也会缩短,因此热设计是LED灯具结构设计中不可忽略的一个环节6。大功率LED灯具设计除了要成功实现产品的功能之外,还必须充分考虑产品的稳定性、 工作寿命和环境适应能力等,而这些都和温度有着直接或间接的关系。数据显示,45%的电子产品损坏是由温度过高引起的,可见散热设计的重要性。现在市场上很多LED灯具产品给出的温升指标大部分都是基于灯具外壳的温度相对于环境温度的差异,用这种方法来
2、衡量灯具散热性能存在着一定的局限性7 。因为与LED器件性能直接相关的是其PN结的结温,我们关心的最终指标是结温的高低,而不是灯具表面的温度。不同灯具在LED光源的选取、 灯具材料的使用、 生产工艺以及散热设计等各方面都有很大不同,导致从LED的PN结到灯具外壳的热阻都有很大的差异。2 LED灯具结构需要进行热传导分析的LED灯具有2类(418 中 国 照 明 电 器2010年第2期种) ,分别为由单粒LED组合和由灯带组合。由单粒LED组合的灯具有14粒和18粒2种,由LED灯带 组合的灯具有20W和30W 2种。以18粒LED灯具 为例,其结构如图1所示。图1 18粒LED灯具结构模型图2
3、0W的LED灯具有4条灯带,呈4行1列排布, 每条灯带5W; 30W的LED灯具有6条灯带,呈3行2列排布,每条灯带功率也是5W。3 计算条件灯具在开启后逐渐升温最后达到热稳定状态,也 就是说热稳定状态时各点的温度最高,所以散热计算 一般只考虑稳态情况,瞬态的热分布情况并不重要。 因此应在灯具处于热稳定状态时计算灯具散热的情况。 根据已知尺寸和参数指标,分别建立14粒、18 粒、20W、30W的LED灯具热传导模型。以18粒LED灯具为例,其热传导模型如图2所示。图2 18粒LED灯具热传导模型图仿真计算中,单粒芯片为117W,灯带每条为5W。单粒LED和灯带热效率取为82% ,电源效率取为8
4、5%。 灯具传热过程中遵循动量守恒定律,由Navier2Stokes方程,得x方向:9(u)9t+9(uu)9x+9(uv)9y+9(uw)9z= -9p 9x+9 9x9u9x+9 9y9u9y+9 9z9u9z+ Suy方向:9(v)9t+9(vu)9x+9(vv)9y+9(vw)9z= -9p 9y+9 9x9v9x+9 9y9v9y+9 9z9v9z+ Svz方向:9(w)9t+9(wu)9x+9(wv)9y+9(ww)9z= -9p 9z+9 9x9w9x+9 9y9w9y+9 9z9w9z+ Sw除此之外,灯具在传热过程中还遵循能量守恒定律:9(T)9t+9(uT)9x+9(uT)
5、9y+9(wT)9z=9 9x cp9T 9x+9 9y cp9T 9y+9 9z cp9T 9z+ ST其中, cp为定压比热容, T为温度,为流体的导热系 数, ST为流体的内热源及粘性耗散项。 设定x2velocity、y2velocity、z2velocity方向流动的收敛值为01001, energy收敛值为1e - 7,开始求解。4 气流及温度分布图LED灯具热量的流动大概可以简单归结为如下 过程:先经过焊接层将热量传给固定LED的铝基板,然后铝基板导热胶将热量传给各个散热片,再通过各 个散热片传给灯具外壳,最后靠散热片和灯具外壳与 空气间的对流将热量散出。图3 18粒LED温度分
6、布图 唐顺杰 等:大功率LED灯具散热分析19 图3是18粒带散热孔LED灯具在单个芯片功率P为117W、 环境温度t为35、 空气流速V为01001m /s时的温度分布云图。5 仿真结果设定不同的边界条件,使用ICE PAK计算不同边界条件组合时的LED芯片和灯带处的温度,分别 如下所述。511 4种灯具的T2P关系图 固定环境温度和空气对流速度,仿真计算LED 芯片或灯带处温度随芯片功率的变化规律,其中使用T表示芯片温度, P表示LED电功率。 计算中,设置环境温度为35,空气流速为01001m /s时, 4类灯具分别按带散热孔与不带散热 孔2种情况考虑。18粒LED的最高温度值与单个芯
7、片功率之间的关系如图4所示。图4 18粒LED灯具有、 无散热孔的T2P关系比较图分析仿真结果可知:(1)随着芯片功率增大, LED最高温度值也变大。LED最高温度与芯片功率间呈近似线性关系,但不同种类灯具温升斜率不同,如表1所示。表1 温升与芯片功率关系的斜率单位:/W14粒18粒20W灯带30W灯带不带散热孔22/1428 /183. 6/43. 65/6带散热孔10/1411. 9/182. 6/43. 1/6(2)单粒型LED灯具侧面开散热孔的散热效果显著,而灯带型灯具的散热孔只有有限的散热作用。这一点也可从表1的斜率数值中看出。在芯片功率为117W时, 14粒灯具温差接近20, 18
8、粒灯具温差接近25;在灯带功率为5W时, 20W灯带灯具温差接近5, 30W灯带灯具温差在3 左右。 (3)在相同条件下,灯带型灯具的温升显然比单粒型灯具的温升要小得多。512 4种灯具的T2t关系图 固定取空气流速为(01001m /s) ,每种芯片都为最大功率(14粒、18粒的功率P为117W; 20W、30W 灯带的功率P为5W)时, 4类灯具分别按带散热孔与 不带散热孔2种情况考虑。18粒灯具LED最高温度 值T与环境温度t之间的关系,如图5所示。图5 18粒LED灯具有、 无散热孔的T2t关系比较图从图5中可以看出,随着环境温度的不断提高,LED最高温度值也在不断增大, LED最高温
9、度值与 环境温度值之间几乎成线性关系。从仿真结果看,不 论哪一种灯具,基本上符合这样的规律:环境温度每 升高1,芯片处的温度就也升高1。 在相同空气流速(01001m /s)、 最大功率的情况下,带散热孔的灯具比不带散热孔的灯具的最高温度 值要低,在14粒、18粒LED灯具上最高温升差值明 显(14粒LED灯差值在1915 左右, 18粒LED灯差 值在2615 左右) , 20W、30W的LED灯具带与不带 散热孔最高温度值差值不是很明显(20W差值在513 左右, 30W差值在311 左右)。513 4种灯具的T2V关系图固定环境温度为35、 每种芯片都取最大功率(14粒、18粒的功率P为
10、117W; 20W、30W灯带功率P为5W)时, 4种灯具LED最高温度值T与空气流速V之间的关系,以18粒为例,如图6所示。从图6中可以看出,随着空气流速从010010125m /s不断增大,LED最高温度值变化很小,接近水平直线,即空气流速对芯片的温度几乎没有影响。20 中 国 照 明 电 器2010年第2期图6 18粒LED灯具有、 无散热孔的T2V关系比较图6 总结在仿真计算中,分别考虑了机构上散热孔、 芯片 功率、 环境温度和空气流速对芯片处温度的影响。从 计算结果看,芯片温度受到散热孔、 芯片功率和环境温度的影响。其中,芯片功率对芯片温度影响较大; 结构上开散热孔对单粒型灯具的LE
11、D温度影响较 大;环境温度对芯片温升的影响为线性规律,环境温 度变化1,温升同样变化1。空气流速对芯片处 温度几乎没有影响。综上所述, 4种LED灯具在同种条件下,芯片功 率越高,LED的最高温度值就越大,LED最高温度值 与环境温度值之间呈线性关系,当空气流速V在010010125m /s之间时, LED的最高温度值几乎没 有变化。14粒、18粒LED灯具有散热孔的与没散热孔的相比LED最高温度值差别很大,而20W、30W灯 带灯具在有、 无散热孔时的最高温度值差别不是很 大。所以在14粒、18粒LED灯具上开散热孔是十分 有必要的。 除此之外,也可以在灯具上安装风扇,采用强制对流降低LED
12、芯片处温度,或者采用其它新的散热技术(如微通道制冷)散热。参考文献1 James Petroaki .Spacing of high2brightnessLEDs on metal substratePCBs for proper ther mal perfor mance C Ninth IntersocietyConference onThermal andTher mornechanical PhenomenainElectronic Systems, 2004: 507 - 514.2 Moo2whan Shin. Thermal characteristics and technic
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