LED照明的熱解決方案介紹

近年來(lái),隨著(zhù)電子產(chǎn)品的高密度、高集成度,熱解決方案的重要性越來(lái)越高,LED照明也不例外,也需要熱解決方案。雖然白熾燈和熒光燈的能量損失大,但是大部分能量都是通過(guò)紅外線(xiàn)直接放射出去,光源的發(fā)熱少;而LED,除了作為可視光消耗的能量,其它能量都轉換成了熱。另外,由于LED封裝面積小,通過(guò)對流和輻射的散熱少,從而積累了大量的熱。

熱解決方案:

　　接下來(lái)來(lái)考慮怎么制定熱解決方案。熱解決方案簡(jiǎn)單的說(shuō)就是解決因為熱產(chǎn)生的各種問(wèn)題。主要有：

　　1. 因為熱膨脹導致彎曲和龜裂

　　2. 電子電路的運行障礙

　　3. 材料品質(zhì)惡化

　　除此之外,也會(huì )擔心如果發(fā)熱會(huì )不會(huì )損壞設備?為了避免這些問(wèn)題,要盡量控制電子設備的溫度,也就是說(shuō)有效散熱很重要,重點(diǎn)是考慮機器的使用環(huán)境和安裝方法制定最佳的熱解決方案。 下面列舉了由熱導致的問(wèn)題。后半部分以L(fǎng)ED燈為例,就LED相關(guān)的解決方案進(jìn)行解說(shuō)。

由熱導致的問(wèn)題

　　1.因為熱膨脹導致彎曲和龜裂

　　電子設備由多個(gè)零件構成,每個(gè)零件的材質(zhì)都不一樣,熱脹冷縮的尺度也不一樣。因此, 當各種材質(zhì)組合在一起的時(shí)候就有可能使材質(zhì)發(fā)生彎曲,膨脹時(shí),產(chǎn)品在連接處因為應力過(guò)多就會(huì )產(chǎn)生龜裂。

　　2.電子電路的運行障礙

　　一般來(lái)說(shuō),作為熱源的半導體 元件 ,有這樣一個(gè)特性,即當電子設備中的半導體元件溫度上升,電的阻抗就會(huì )變小。這樣就容易陷入“溫度上升-阻抗下降-電流增加-熱增加-溫度上升”的惡性循環(huán),進(jìn)而容易發(fā)生燒斷的現象。

　　3.材料品質(zhì)的惡化

　　一般說(shuō)來(lái),電子設備中使用的材料容易氧化,溫度越高氧化越快,如果讓這些材料反復經(jīng)過(guò)高溫氧化,就會(huì )縮短其壽命。同時(shí),反復加熱,材料多次膨脹,多次冷縮,會(huì )降低材料的強度,從而破壞了材料。

　　LED的熱解決方案:

　　下面以L(fǎng)ED燈為例,具體討論LED的熱解決方案。

　　要避免電子設備的發(fā)熱有多種方法。比如,加散熱器,在熱源周?chē)仓媚芴峁├錃獾娘L(fēng)扇。前者是通過(guò)增加散熱面積,來(lái)增加散熱的通道,后者是使熱不在熱源周?chē)?。 但是,正如圖1 LED燈的概括圖所示,LED封裝時(shí)不能直接連接散熱器,也沒(méi)有安裝風(fēng)扇的位置。而且內部電源電路 板也會(huì )產(chǎn)生熱量,因此LED燈的散熱問(wèn)題可以說(shuō)是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。這樣,如何有效使用LED安裝材質(zhì)和散熱器就變得很重要。

　　圖1 LED燈概括圖

　　那么如何有效利用LED安裝材質(zhì)和散熱器呢?首先必須把握產(chǎn)生熱的傳熱路徑。

　　LED元件產(chǎn)生的熱通過(guò)封裝的導線(xiàn)向電路板移動(dòng) ,然后再通過(guò)散熱器放熱。電源電路板產(chǎn)生的熱也是如此,通過(guò)電路板周?chē)目諝夂吞畛洳馁|(zhì),透過(guò)散熱器向外部散熱。

熱解決方案中重要的是排除傳熱路徑中阻礙傳熱的因素,比如可以考慮在傳熱路徑中使用導熱性能好的材質(zhì)、擴大路徑的斷面面積(例如,粗的銅線(xiàn)比細的銅線(xiàn)更容易導熱)、涂導熱潤滑劑使產(chǎn)品的連接部位不留空隙。

　　另外,即使通過(guò)這些提高了導熱特性,但如果散熱器不向外部散熱,內部還是會(huì )*很多熱。因此也必須提高散熱器表面的放熱特性。典型的方法就是在表面多安裝幾個(gè)散熱片,擴大散熱器的放熱面積。

運用CAE工具,通過(guò)仿真驗證熱解決方案

　　CAE的運用

　　那么怎樣驗證熱解決方法是否有效呢?一種是通過(guò)實(shí)驗測量 溫度,但是一旦條件改變就要重新測量,效率比較低。因此需要使用CAE軟件進(jìn)行仿真。 圖2 運用ANSYS解析軟件,在LED燈橫向擺放時(shí),對LED燈周?chē)臒岷涂諝獾牧鲃?dòng)進(jìn)行仿真。(?。?(??)是整個(gè)燈的溫度分布圖,紅色部分代表溫度高,藍色部分代表溫度低。(?#?(?ぃ┦塹樸胩ED封裝周邊(蓋子內部)的自然對流圖,紅色箭頭部分表示對流速度快,藍色部分表示對流速度慢。與實(shí)際情況相比,這個(gè)例子只是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的模型,但從某種程度上卻能驗證產(chǎn)品的溫度分布和空氣的自然對流。 從整個(gè)燈的溫度分布來(lái)看,雖說(shuō)蓋子的溫度低,其他部位溫度高,但是某種程度上還是處于一個(gè)均等的溫度分布。這表面產(chǎn)生的熱量大部分都轉移到散熱器上,而且傳送路徑中沒(méi)有障礙。散熱器可以起到一個(gè)散熱的作用,但是如果散熱特性不好,整個(gè)燈的溫度就會(huì )上升,因此必須注意散熱器的形狀(安裝散熱片的大小、形狀、個(gè)數等)。

　　圖2 根據ANSYS進(jìn)行熱流體解析的結果圖

　　仿真中需要解析對象的形狀、產(chǎn)品特性、條件等各種信息,但是通過(guò)想要確認的信息可以區別簡(jiǎn)易解析模型和詳細解析模型,從而有效把握想要驗證的熱解決方法的好壞。例如,本例是對整個(gè)電燈的簡(jiǎn)易建模,并不能把握LED封裝內部詳細的溫度分布,但是如果對該部分進(jìn)行詳細的建模,就能夠確認元件實(shí)際的溫度。

　　反復實(shí)驗,通過(guò)仿真修改部分信息就可以簡(jiǎn)單的進(jìn)行操作,例如容易把握散熱器中散熱片的形狀和個(gè)數對溫度的影響。作為仿真用軟件,可以直接使用CAD信息進(jìn)行分析,可以在統一環(huán)境中對構造、導熱、熱流體等進(jìn)行廣泛的分析,而且可以進(jìn)行各種組合分析。在設計中不僅要考慮熱的問(wèn)題,其他因素也必須考慮,組合分析的難易是熟練進(jìn)行仿真的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),這些我們在后面進(jìn)行論述。