摘 要：近年来随着大功率高亮度 LED芯片的研制成功及其发光效率的不断提高 ,越来越多的大功率 LED开始进入照明领域。随着 LED芯片输出功率的不断提高 ,对大功率 LED灯具散热技术也提出
了更高的要求。本文以 LED高端特种照明应用为导向 ,对大功率 LED灯具进行了热仿真 ,使读者可
对 LED灯具的热场分布有直观明确地了解。通过模拟仿真分析 ,缩短了分析计算时间 ,提高了优化
设计能力 ,使产品能够快速地进入市场。
关键词 大功率 LED 散热分析 结温
1 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 ( 4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。
20W 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。
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 85%。
灯具传热过程中遵循动量守恒定律 ,由 Navier2 Stokes方程 ,得x方向 : 9 (ρu) 9t + 9 (ρuu) 9x + 9 (ρuv) 9y + 9 (ρuw ) 9z = - 9p 9x
+ 9 9x μ9u 9x + 9 9y μ9u 9y + 9 9z μ9u 9z + Su y方向 : 9 (ρv) 9t + 9
(ρvu) 9x + 9 (ρvv) 9y + 9 (ρvw ) 9z = - 9p 9y + 9 9x μ9v 9x + 9 9y μ9v 9y + 9
9z μ9v 9z + Sv z方向 : 9 (ρw ) 9t + 9 (ρw u) 9x + 9 (ρw v) 9y + 9 (ρww ) 9z = - 9p 9z +
9 9x μ9w 9x + 9 9y μ9w 9y + 9 9z μ9w 9z + Sw
除此之外 ,灯具在传热过程中还遵循能量守恒 定律 : 9 (ρT)
9t + 9 (ρuT) 9x + 9 (ρuT) 9y + 9 (ρw T) 9z = 9 9x λ cp 9T 9x + 9 9y λ cp 9T 9y
+ 9 9z λ cp 9T 9z + ST 其中 , cp 为定压比热容 , T为温度 ,λ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
片功率之间的关系如图 4所示。
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。
(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。
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 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 01001 ～ 0125m /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。
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 LED 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 01001～0125m /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。