LED热设计及仿真应用
热流仿真分析在高功率LED散热设计中的应用
热流仿真分析在高功率LED散热设计中的应用随着LED技术的不断发展，高功率LED的应用越来越广泛，而其中散热问题也越来越受到关注。
好的散热设计不仅可以保证LED的长期稳定工作，还能延长其寿命。
在散热设计中，热流仿真分析被广泛应用，因其可以帮助工程师更好地了解LED散热过程中的各种热学参数，从而实现更优秀的散热设计。
热流仿真分析是指使用计算机模拟技术，将LED散热设计中的热流场分析、热传导和对流散热等问题进行数值模拟，从而对散热性能进行评估和优化。
其本质是通过对LED芯片内部和周围材料在热传导方面的特性进行模拟和分析，预测LED散热性能、继而进行优化设计的过程。
一般的散热设计工程师在设计LED的散热方案时，首先要对LED的使用环境进行分析，包括空气温度、空气流速、LED灯具的结构、使用寿命等等。
然后，需要了解LED芯片的热性能参数，比如导热系数、材料的热容量、散热器的热传导性能等。
最后，采用热流仿真软件，将这些信息输入计算机，进行热流仿真分析，得出LED散热设计的初步方案，继而进行评估和改进，以达到最优化的散热效果。
在LED散热设计中，热流仿真分析的应用有以下几个优点：1、不同散热设计的比较通过热流仿真分析，工程师可以针对不同的散热方案，进行模拟分析，然后通过比较各种参数的结果，找出最优的散热设计方案。
这种分析方法可以帮助工程师节省时间和成本，避免在实际应用中出现故障和不必要的损失。
2、预测LED使用寿命热流仿真分析可以模拟LED的热流场，并通过计算各种参数的值，预测LED使用寿命。
因为LED灯在高温环境下，其使用寿命会缩短，而热流仿真可以帮助工程师减少LED温度升高的影响，延长使用寿命。
3、降低散热设计成本在LED散热设计阶段，通常需要尽可能地降低成本，热流仿真分析可以通过数值模拟，实现对LED散热器的优化，降低制造成本。
同时，实现更优秀的LED散热设计，可使LED产品的工作性能更高，降低生产成本。
电子产品热设计及热仿真技术的应用分析
电子产品热设计及热仿真技术的应用分析摘要：随着装备性能的不断提升，复杂程度的不断提高，以及使用环境的日趋复杂，电子产品对可靠性的要求日益提高，可靠性已成为衡量电子产品使用性能的一项重要指标。
因散热不良引发的故障一直在电子产品故障发生中占有很大的比重，电子产品一旦出现热设计缺陷，往往在设计周期和设计成本等多方面造成极大的损失。
因此需要在产品设计源头加以控制，即在设计之初考虑产品的功能和性能的同时，考虑其散热等因素。
综合电子产品的性能设计和热设计，选择采用什么散热方式、使用何种散热材料等，其目的是高效率、低成本、高可靠地制造产品。
基于此，本文对电子产品热设计及热仿真技术的应用进行分析，为产品全生命周期设计提供验证支撑，达到合理可靠稳定运行的目的。
关键词：电子产品热设计；热仿真技术；应用分析引言电子产品是基于电子信息技术发展背景下的重要产物，电子信息技术是20世纪初诞生的一种新兴的技术，随着时代的发展与生产技术的不断革新，电子信息技术得到了进一步发展。
进入21世纪之后，电子信息技术已成为科学技术领域的重要标志之一，在各个行业及领域均具有非常广泛的应用。
伴随着大量电子产品的问世，不仅改变了人们传统的生活方式，也为人们的生产与生活带来了巨大的便利。
随着社会信息化的不断发展，电子产品多功能集成和便携的需求日益凸显，电子产品的集成化和小型化就成了目前电子产品的发展趋势，电子产品的集成化意味着功率会大概率的增大，与小型化的发展综合在一起意味着电子产品的单位体积功率密度会不断增大，因此电子产品的热设计就需要从粗放的经验设计向精确化的热理论设计发展。
热仿真就是支持电子产品精确化理论设计最佳手段。
通过热仿真将电子产品在性能设计的基础上叠加热设计，达到电子产品在最优热环境里发挥最佳性能的目的。
1电子产品热设计的意义1.1电子产品进行热设计的优势有效散热对于电子产品的稳定运行和长期可靠性而言至关重要，将电子产品热功能部件的工作温度控制在其有效工作的温度范围内，是提升电子产品可靠性的基本思路。
多孔微热沉大功率LED阵列传热仿真与实验研究
多孔微热沉大功率LED阵列传热仿真与实验研究LED(Light Emitting Diode)由于其相对普通照明技术的诸多优点而被广泛使用。
然而,由于LED芯片电光转换效率低,在工作状态中有约80%-90%的电能转换为了热量,热量的聚集将对LED的工作状态产生许多不良影响。
所以,散热问题成为了当下急需解决的LED发展应用的难题之一。
针对LED 的散热问题,综述了近年来研究LED散热的相关文献,主要分析了关于LED的主动散热的诸多方式,并进行相互优缺点比较,采用了适合大功率LED阵列的散热方法——水冷式多孔微热沉。
主要研究内容如下:第一,搭建实验台架对多孔微热沉LED阵列的传热效果进行研究,多孔芯采用铜丝制作,多孔微热沉LED阵列采用5×5的芯片布置方式。
研究表明,在输入功率为45W和75W时温度测量点T3的实验温度分别为38.3℃和45.4℃。
第二,对实验所用多孔微热沉进行建模仿真,并将实验结果和仿真结果进行对比,发现模拟结果与实验结果的温差在1℃以内,可为后续的研究工作提供可靠的仿真分析工具。
第三,利用已验证的仿真方法探讨多孔介质的进出口数目、流速、孔隙率等对系统散热性能的影响。
发现相同流量下,进出口由一进一出改为两进两出能改善系统换热;流速由0.25m/s增大至0.5m/s时,系统换热效果提升幅度最明显;孔隙率越小,散热效果越明显,但是流动阻力也随之增大;而且即使在环境温度高达36℃的情况下,系统芯片的最高温度也才45.8℃。
第四,为了改善系统的换热效果,根据前文实验和仿真模拟工作,利用已验证的仿真模型,发现一种下空结构,无论是从芯片基板的温度均匀性、安装便捷性或经济性角度考虑,该结构都具有优良的特性。
本文工作目的是希望能提供一些理论与实际方面的设计依据,能更好解决大功率LED阵列系统的散热难题并推动其发展与应用。
灯具热设计及仿真模拟
散热设计
大功率LED照明光源需要解决的散热问题涉及 以下几个环节：
– – –
p-Electrode p-Current Spreading Layer p-Cladding Layer Active Layer n-Cladding Layer n-DBR Structure
晶片PN结到外延层 结到外延层； 外延层到封装基板； 封装基板到外部冷却装置再到空气。
上述公式说明，对于一个给定的Q，h和Tf, 表面积越大， 表面温度越低
现两个连接面处被空气间隙隔开 而成为点对点接触 据估计整个
6
2011/4/21
散热器效率
散热器选择 通常Rja随着下列因素提高而降低 – 散热器的尺寸 – 散热器周围空气流速 对于一个给定的气流和散热器尺寸，Rja随着fin数目增 加而降低，直到达到一个优化的fin的数目 – 超过这个数字，Rja随着fin的数目增加而增加 – 这是由于压降随着fin数目的增加而增加，因此降低了 对于给定的散热器，Rja随着气流速度提高而降低 – 到了一定程度，Rja降低量可以忽略不计 – 原因是边界层已完全形成
热管技术
计算机仿真在电子设备热设计中的应用
计算机仿真在电子设备热设计中的应用电子设备在工作时会产生很大的热量，如果不能正确地处理这些热量，就会导致电子设备发生故障，甚至失效。
因此，电子设备的热设计是非常重要的，而计算机仿真是电子设备热设计中不可或缺的工具。
本文将详细介绍计算机仿真在电子设备热设计中的应用。
一、计算机仿真的概念计算机仿真是指通过计算机软件模拟实际系统运行情况的过程。
计算机仿真可以帮助工程师们预测产品的性能并优化设计，可以降低试验成本和时间，提高产品的研发效率。
二、电子设备热设计的基本原理电子设备在运行时会产生热量，如果不能正确地处理这些热量，就会导致电子设备过热，影响设备的性能和寿命。
电子设备热设计的基本原理是通过吸收或散发热量，保持设备的工作温度在一定的范围内。
为了实现电子设备热设计，工程师们需要考虑以下几个因素：1. 热源的位置和功率：电子设备中最主要的热源是芯片，其位置和功率会影响整个电子设备的温度。
2. 散热方式：散热方式是指将热量从电子设备中排出的方法，可以采用风扇或散热片等手段。
3. 材料的热导率：材料的热导率越高，传递热量的效率就越高。
基于以上几个因素，工程师们需要进行电子设备的热学计算和设计，并根据计算结果进行优化。
三、计算机仿真在电子设备热设计中的应用计算机仿真可以帮助工程师们在设计阶段快速模拟和测试热设计方案，降低试验成本和时间，提高设计效率和准确性。
以下是计算机仿真在电子设备热设计中的应用情况：1. 热学仿真工程师们可以使用计算机仿真软件对电子设备的热学模型进行建模和仿真。
在模拟过程中，可以确定电子设备的热学参数和热分布情况。
通过不断地调整模型，可以找到最优的热设计方案，减少电子设备的温度。
2. 流体仿真电子设备散热通常需要通过风扇或散热片等方式进行，因此流体仿真也是电子设备热设计不可缺少的一部分。
工程师们可以使用计算机仿真软件对电子设备的风流场进行建模和仿真，在散热方案优化中发挥重要作用。
3. 热过程仿真通过计算机仿真软件对电子设备运行过程中的热过程进行建模和仿真，可以帮助工程师们分析电子设备在不同工作条件下的温度响应，并进行热设计的优化。
LED电路仿真设计-Saber篇
学习曲线陡峭
Saber软件功能强大但操作复杂， 需要设计师具备一定的专业知识 和技能。
资源占用较大
Saber软件的仿真过程需要占用较 大的计算资源，对于小型项目可 能存在一定的性能挑战。
成本较高
Saber软件是一款商业软件，购买 和维护成本较高，可能不适合小 型项目或个人用户。
THANKS
感谢观看
仿真精度设置
用户可以根据需要设置仿真的精度， 如采样点数、仿真步长等。
Saber软件的仿真结果分析
波形分析
参数优化
通过Saber软件的波形分析功能，用户可以 观察LED电路的输入输出波形，了解电路的 工作状态和性能表现。
根据仿真结果，用户可以对元件参数进行 优化，以提高LED电路的性能指标。
可靠性分析
05
LED电路仿真设计的挑战与展望
LED电路仿真设计的挑战
高精度模拟需求
LED电路的特性要求高精度模拟，以准确预测其性能和行为。
复杂的光学效应
LED的光学效应（如散射、反射和干涉）增加了电路仿真的复杂性。
材料特性的多样性
不同LED材料的电气和光学特性差异大，增加了仿真的难度。
热效应的考量
LED在工作时会产生热量，热效应对LED性能有显著影响，需要纳入仿真设计。
总结词
LED照明电路仿真设计能够预测实际照明 效果，优化照明质量和能效，降低设计 和制作成本。
VS
详细描述
LED照明电路的设计需要考虑照明的均匀 性、颜色和亮度等参数。通过仿真设计， 可以预测不同电路参数下的照明效果，从 而优化电路设计，提高照明质量和能效。 此外，仿真设计还可以帮助设计师快速评 估不同方案的成本和性能，为实际制作提 供可靠的依据。
led 热管理 matlab
LED热管理 Matlab1. 介绍LED（Light Emitting Diode）是一种半导体器件，能够将电能转化为可见光能量。
在LED的工作过程中，会产生大量的热量。
为了确保LED的正常工作和寿命，热管理是非常重要的。
本文将介绍如何使用Matlab进行LED热管理。
2. LED热管理的重要性LED在工作过程中会产生大量的热量，如果不能及时有效地散热，会导致LED的温度升高。
当LED的温度超过一定的限制值时，其性能和寿命会受到严重影响。
因此，LED热管理是非常重要的，可以提高LED的效率和可靠性。
3. LED热管理的方法LED热管理的方法主要包括散热设计和温度监测。
3.1 散热设计散热设计是LED热管理的关键环节。
合理的散热设计可以有效地降低LED的温度，延长其使用寿命。
在散热设计中，需要考虑以下几个方面：•散热材料：选择合适的散热材料，如铝、铜等，以提高散热效果。
•散热结构：设计合理的散热结构，增加散热面积和散热路径，提高散热效率。
•散热风扇：使用散热风扇增加空气流动，提高散热效果。
3.2 温度监测温度监测是LED热管理的另一个重要方面。
通过监测LED的温度变化，可以及时发现和解决散热问题。
常用的温度监测方法包括：•热敏电阻：使用热敏电阻测量LED的温度变化。
•红外测温：使用红外测温仪测量LED的表面温度。
•热像仪：使用热像仪获取LED的热图，进一步分析LED的温度分布。
4. 使用Matlab进行LED热管理Matlab是一种强大的数学计算和数据分析工具，可以用于LED热管理的模拟和分析。
以下是使用Matlab进行LED热管理的一般步骤：4.1 建立LED热管理模型首先，需要建立LED热管理的数学模型。
这个模型可以考虑LED的发光功率、散热材料的热导率、散热结构的热阻等因素。
通过建立模型，可以模拟LED的温度变化和散热效果。
4.2 进行热管理仿真使用Matlab的数值计算工具箱，可以进行LED热管理的仿真计算。
热仿真技术在LED照明产品设计中的应用
热仿真技术在LED照明产品设计中的应用王劲刘乃涛梁秉文（南京汉德森科技股份有限公司）摘要随着高光通量LED在照明领域的逐渐推广,单个LED产品的功率越来越大,热设计已经成为确定产品方案时必须考虑的重要因素。
同时，设计人员必须在产品性能保证的前提下尽快确定合理的方案.在这种情况下,引入快速、高效的仿真技术十分必要。
本文以一个实例介绍了如何利用热仿真技术对LED照明产品的设计进行分析，并确定最佳产品设计方案的过程。
关键词热仿真温升LED 照明前言随着高光通量LED在照明领域的逐渐推广，单个产品的功率越来越大，这对产品的热设计提出了很高的要求，高光通量LED应用的瓶颈之一即是散热问题，如果散热问题得到合理的解决,LED 的应用范围将会更广。
传统的散热设计依靠手工计算,设计方法过于简单而且耗时，结果也很难满足设计要求,在产品设计周期日益缩短的市场环境下，已经不能适应现代化产品的设计要求。
在激烈的竞争压力下，企业迫切需要可靠性高、成本低且周期短的设计方法。
计算机辅助工程（CAE）的引入有效地缩短了新产品的研发周期。
例如在热学设计方面，在产品设计之初即将设计模型引入CAE软件中，在边界上施加与实际大致相符的边界条件,计算其温度场的分布，以此来对不同的方案进行选择。
这种虚拟的方法相当于用计算机来做热试验,并且具备快速、直观的特点,可以提供更多的数据，为产品的优化设计提供必要的支持。
本文以一个实例介绍利用热仿真技术对产品的设计进行仿真分析，通过分析比较挑选出适合设计方案的整个过程.1 产品的设计方案本案例是依据客户要求,设计一款3W射灯，体积有一定的限制，30℃环境温度下使用，表面温度不超过55℃.由于对体积有限制，经过多次论证, 确定有三种设计选择，在此分别称为方案a、b和c。
这三种设计方案的内部机械结构如图1所示:1—上端盖2—LED放置板3—驱动电路位置4—下部散热端图1 射灯内部结构在此结构中，上端盖1与下部散热端4之间、LED放置板与下部散热端之间都以螺纹连接。
灯具LED热设计及仿真模拟
5．热传播方式
热传导
–传导是发生在两种直接接触的介质（固体，液体，气体)
–ﻩ传导过程中,能量通过以下方式传递
自由电子运动
点阵振动
6.热阻
–ﻩ热量在热流路径上遇到的 阻力，反映介质或介质间 的传热能力的大小，表明了１W热量所引起的温升大小,单位为℃/Ｗ或K/W。 用热耗乘以热阻,即可获 得该传热路径上的温升。
１5.热设计
对产品的温度场作出预测,使我们在进行产品设计开发时关注热点区域。进行各种设计方案的优劣分析，得出最佳的设计方案。
对设计者经
验的依赖度
设计周期
热设计一次
成功率
热设计方案 的优化程度
效率
传统热设计
方法
完全
短
低
低，裕量
大
低
仿真分析方
法
强
长
高
高，裕量
适中
高
电子设备热设计软件是基于计算传热学技术（ＮＴS）和计算流体力学技术(CFD）发展电子设备散热设计辅助分析软件。
目前商业的热设计软件种类繁多，有基于有限体积法的Floｔｈeｒm、Ｉ-ｄeas、Ice-paｃｋ、Ｔaｓ-Harｖard ｔｈermal、Coｏl ｉt、Bｅtasoft,及基 于有限元的Ａnsys等，其中Floｔhｅrｍ、I-deaｓ、 Ice-ｐacｋ占据大部分的市场份额。
16.ANSYS软件介绍
一般FR4，热导系数0.36
金属氧化作为绝缘层,热导系数2０k/mk
陶瓷基板
–热膨胀系数与Chip匹配
–ﻩ导热系数>8０
–ﻩ价格高,无法应用于大面积基板
Vol 5 No4 Apr 2011 基于仿真技术的LED路灯热设计
基于仿真技术的LED路灯热设计张旭东摘 要 基于CAE仿真技术，评估LED路灯在工作状态下的散热性能，并通过与实测数据的对比，证明CAE仿真技术的可靠性。
在仿真数据的基础上，高效地评估LED路灯热设计优化方案的可行性。
关键词 CAE； 热设计； 仿真ABSTRACT Evaluate the thermal performance of the LED Light based on CAE simulation. Compared with the experimental data, the reliability of CAE simulation is proved. The optimization of thermal design can be evaluated efficiently using CAE simulation.KEYWORDS CAE; Thermal Design; Simulation1 前言随着国家新能源开发战略的实施，LED凭借其高效、可靠的优势，受到了越来越多的关注。
目前LED 照明已经开始逐步取代传统照明灯具，在国内外有着巨大的市场。
目前制约LED发展的两个主要因素是光学配光和散热设计。
特别是大功率LED路灯，受其使用环境和可靠性的制约，大多采用自然对流换热的散热方式。
因此对LED的散热设计提出了更高的要求。
借助CAE仿真技术，能够更加快速高效地评估散热方案，并完成散热器的优化设计。
2 CAE仿真在LED热设计中的应用2.1 LED热设计理论LED所发光为冷光源，因此，除了一部分能量转换成光能，通过LED所配的透明灯罩散失到外界环境中去。
剩下大约80%的能量均转化为热能。
热量通过LED封装基座及高导热系数的铝基PCB，传导至散热器上，进而散失到周围空气中。
由此可见，整个LED 路灯的散热设计，在确定了LED颗粒型号及铝基PCB 之后，主要为散热器的设计。
LED器件热管理分析方法及其应用
LED器件热管理分析方法及其应用摘要：随着LED的快速发展，散热已成为LED行业发展的技术瓶颈。
由于非辐射复合、电流过载等原因，LED芯片会产生大量的热，因此，分析LED器件的热管理具有重要意义。
关键词：LED；热管理；散热LED的失效原因大多与热量有关，而有效散发LED芯片产生的热量是该领域的重要问题之一。
LED器件的热管理分析与设计，是解决LED器件散热问题的有效手段及必要措施。
基于此，本文详细分析了LED器件的热管理分析方法。
一、LED热源LED发光机理是靠电子在能带间跃迁产生光，其光谱中不含红外成分，因此，产生的热量不能靠辐射发出，故LED是冷光源。
LED的基本结构是一个半导体PN 结，当电流通过PN结时，所加入的电能并未全部转化为光能，大部分以热能的形式留在PN结上，使PN结温度上升，称之为结温。
对于LED的热管理，主要分为热量的导出和热量的散发两部分，即导热和散热。
二、LED器件热阻网络系统)。
由于接触面粗糙程度、空隙等微观因素存在，任1、热界面材料热阻(R界变大，严重影响意2个固体界面在实际工程中接触时必然存在缝隙，从而使R界，一般引入热界面材料(TIM)填充界面空隙，以了传热性能。
为了大幅度减小R界此改善LED散热问题。
2、热扩散阻值Rs。
因LED芯片的尺寸是mm，LED芯片模块的尺寸是cm。
由于尺寸差异，在传导中形成了热扩散热阻Rs。
当芯片和基板面积相同时，热扩散一般均匀扩散；当芯片小于基板面积时，热扩散可能不均匀，存在集中热源现象。
随着微电子系统和LED封装变得越来越紧凑，如何减少热扩散阻值Rs在热管理中是较重要的问题。
在高热流应用中，热扩散阻值Rs占总热阻的60～70％。
当Rs很大时，热量不会均匀分布在整个平板上，而是形成集中的热源。
调节热扩散热阻最有效的方法是增加热源大小与散热比例，通常采用功率较低的LED组成阵列，以此减少热扩散热阻Rs。
)。
LED芯片产生的热量经散热装置传递到环境中，3、元件到环境热阻(R环境该过程中的热阻称为元件到环境热阻，其大小取决于不同的散热设计，不同器件结构间差异较大。
led热设计与工程应用
led热设计与工程应用
"LED热设计与工程应用" 涉及到在LED（Light Emitting Diode，发光二极管）系统设计和工程中如何有效地管理和处理LED产生的热量。
热设计对于LED应用至关重要，因为LED的性能和寿命受到温度的影响。
以下是一些与LED热设计与工程应用相关的关键方面：
1. 散热设计： LED发光时会产生热量，因此必须设计有效的散热系统来将热量传递到周围环境。
这可能涉及使用散热器、风扇、导热材料等。
2. 热传导：选择合适的散热材料和导热方式对于将LED的热量有效地传导出去很重要。
优良的热导率可以帮助维持LED的温度在可接受范围内。
3. 温度监测：集成温度传感器以监测LED的工作温度是一种常见的做法。
这有助于实时监测并采取必要的措施来避免过热。
4. 电源管理： LED的工作温度与电源管理密切相关。
设计合适的电源系统，以确保LED在正常工作电压和电流下运行，有助于减少发热。
5. 环境条件：工程师需要考虑LED系统所处的环境条件，例如室内还是室外，湿度，温度变化等，以确保设计能够适应各种环境。
6. 热模拟和仿真：使用热模拟和仿真工具，例如有限元分析（FEA）软件，来模拟LED系统中热的传递和分布情况。
7. 材料选择：选择适用于高温环境的材料，例如耐高温塑料、金属散热片等，以确保系统的稳定性和寿命。
8. 热管理策略：制定热管理策略，例如使用温控风扇、自适应亮度调整等方式，以应对不同负载和环境条件下的热挑战。
LED热设计和工程应用是一个复杂而关键的领域，要求工程师在设计阶段就全面考虑热问题，以确保LED系统的性能和寿命得到最优化。
照明用大功率LED阵列散热设计与仿真分析-北京航空航天大学大学毕业设计
单位代码10006学号34140113分类号N94密级毕业设计照明用大功率LED阵列散热设计与仿真分析院（系）名称工程系统工程系专业名称飞行器设计（可靠性）学生姓名王传亮指导教师高成2008年6月北京航空航天大学本科生毕业设计（论文）任务书Ⅰ、毕业设计（论文）题目：照明用大功率LED阵列散热设计与仿真分析Ⅱ、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：原始资料包括：ICEPAK4.1使用说明；LED照明阵列。
设计技术要求：在研究大功率LED封装的热特性的基础上，设计LED照明阵列的散热器，对LED照明阵列建立等效热阻网络模型，软件仿真和试验验证来说明散热器能够满足LED照明阵列的散热要求。
Ⅲ、毕业设计（论文）工作内容：1）LED封装的热特性研究；2）建立LED照明灯具散热系统等效热阻网络模型；3）LED照明阵列的软件仿真分析；4）试验验证Ⅳ、主要参考资料：《传热学》.高等教育出版社.2004年5月.杨世铭，陶文铨编著．《电子制造技术基础》.机械工业出版社.2005年5月.吴懿平，丁汉编著．工程系统工程系学院（系）飞行器设计（可靠性）专业类341401 班学生王传亮毕业设计（论文）时间：2008 年 2 月18日至2008 年 6 月14 日答辩时间：2008 年 6 月18 日成绩：指导教师：兼职教师或答疑教师（并指出所负责部分）：系（教研室）主任（签字）：注：任务书应该附在已完成的毕业设计（论文）的首页。
学位论文的声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。
尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得北京航空航天大学或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。
若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。
作者：王传亮签字：时间：2008年6月照明用大功率LED阵列散热设计与仿真分析学生：王传亮指导教师：高成摘要白光LED灯具具有寿命长、耗电小、发光效率高等优点，是被寄予厚望的半导体光源，在光效、寿命以及环保等方面具有以往光源所无法比拟的优势。
LED球泡灯方案热仿真
1.要有效降低LED Bulb电源的温度，必须采用加密封胶的方式，或将电源外置，不要整合在 bulb内部；
2.采用方案八可以达到最优化的效果，如果光学可以做到此方式，建议采用方案八方案；
3.如果方案六（B）光学做不到，和方案四（C），可以做为第二选择方案。
4.如果方案二有较好的方式进行灌胶，且将塑料内壳和铝外壳相结合，可以考虑再对此方案 进 行深入研究。
源温度，Led工作温度亦有所降低，整体效果优于方案一（B）。
方案六
60
3.铝压铸散热器
100
2.Led模块 1.灯罩
电源光源分体结构
7.灌封胶 5.电源模块
6.灯头组
4.塑料内壳
分解图
说明
此方案散热器为压铸铝，塑料内壳采用与散热器悬空的结构，并 在塑料内壳加肋条，增加其散热面积，其它参照“材料属性 表”，此方案分为两个部分进行对比：
C: 电源用灌封胶密封方案，塑料为散热塑料PA46；
方案四结果（A）
电源 Tmax=99.9
Led Tmax=79
小结论：从结果可以发现，未采用灌胶方式，光是给塑料内壳增加散热肋，无法有效降低电
源温度；反而因给塑料加散热肋造成铝散热器散热面积减小，造成Led工作温度升高。
方案四结果（B）
电源 Tmax=79.3
Led Tmax=68.8
小结论：由于散热器材料为纯铝，热传导率高（204w/mk）,且此形状下对流条件
较好，故LED温度较低，但电源温度依旧居高。
方案三
60 110
3.铝压铸散热器 2.Led模块 1.灯罩
5.电源模块 4.塑料内壳
6.灯头组
电源光源分体结构
分解图
说明
LED灯具热设计与仿真的开题报告
LED灯具热设计与仿真的开题报告
题目：LED灯具热设计与仿真
研究内容：本篇研究计划通过对LED灯具热设计与仿真的研究，探究LED灯具在长时间使用过程中发热、散热等方面的问题。
主要研究内容包括：
1. LED灯具散热设计：通过对LED灯具的材料、结构以及散热方式进行研究，设计出一种适合长时间使用的散热方案。
2. 热仿真分析：对散热方案进行热流仿真分析，预测LED灯具在实际使用中的温度、温度分布等参数，从而指导散热方案的优化。
3. 实验验证：通过实验对散热方案的效果进行验证，对比分析不同散热方案对LED灯具的散热效果。
研究前景：随着LED灯具的应用越来越广泛，其散热方面的问题也变得越来越突出。
本研究可以为LED灯具的设计和应用提供一种新的思路和方法，为LED灯具行业的发展提供有力支持。
研究方法：本研究采用计算机仿真、实验验证相结合的方法进行研究。
先通过计算机仿真对LED灯具的散热方案进行预测和优化，再通过实验验证其散热效果，最终实现对LED灯具的热设计与仿真。
关键词：LED灯具，热设计，仿真，散热，实验验证。
LED照明产品热仿真技术
LED照明产品热仿真技术散热设计是LED照明产品开发的关键技术之一。
热仿真是电子产品散热设计的一项主要内容，广泛用于预测许多电子产品散热方案可行性、优化电子产品的散热设计以及为需要进行热测试的电子产品确定最有效的测试方案等。
准确快速的热仿真可以缩短产品开发周期、降低开发成本。
本文系统论述了LED照明产品热仿真的基本原理和方法，并给出了热仿真的典型案例，对于LED照明产品热仿真具有重要的参考意义。
一、LED照明产品热仿真概述1、数值计算方法热仿真是一种利用数值计算对流动与传热问题进行求解的方法，是与试验（测试）和理论分析相并列的第三种分析方法。
数值计算就是把计算域内有限数量位置（网格节点）上的因变量值当作基本的未知量，并根据需要求解的控制方程（微分方程）提供一组关于这些未知量的代数方程，以及求解这组方程的算法，从而在每一个网格节点上直接求解控制方程的方法。
电子产品热仿真需要求解的控制方程主要包括质量守恒方程（连续性方程）、动量方程（运动微分方程）、能量方程以及求解湍流N-S方程所需要的补充方程等。
2、热仿真软件理论上所有的CFD（ComputationalFluidDynamics：流体动力学）软件都可以作为电子产品热仿真的软件。
CFD软件大体可以分为通用CFD软件、工程化的CFD软件和电子散热专用热仿真软件三类。
一般情况下，通用CFD软件(如FLUENT等)对用户的专业知识背景要求较高，并且软件操作较复杂。
电子散热专用软件是专门针对电子产品散热设计开发的热仿真软件，对用户CFD专业知识背景要求较低，操作也较简单，并且提供了大量的电子散热常用组件，这类软件主要包括Flotherm和Icepak等。
工程化的CFD软件性能介于通用CFD软件与电子散热专用软件之间，其采用工程化的操作界面，操作较简单，计算能力较强。
如CFdesign和FloEFD都能够方便地导入CAD模型，并且还增加了部分常用的电子散热组件。
计算机仿真在电子设备热设计中的应用
计算机仿真在电子设备热设计中的应用计算机仿真技术在电子设备热设计中的应用越来越广泛。
随着现代集成电路技术的迅速发展，电子设备的功能变得越来越强大，造成的热量也越来越大。
而电子产品的稳定性和可靠性很大程度上取决于热设计的好坏，因此热设计成为电子产品设计中至关重要的一部分。
计算机仿真技术能够帮助设计人员更好地进行电子设备热设计，提高热设计的精度和效率，降低产品成本并促进产品研发。
一、电子设备的热设计电子设备中各种器件有不同的功耗和热阻值，当电子设备工作时，这些电子器件产生的热量会累积在设备中，导致设备的温度升高。
长时间高温会对电子器件产生损害，因此，电子设备必须通过热设计来控制温度，确保电子器件工作在安全的温度范围内，从而保证设备能正常工作。
在电子设备设计过程中，热设计是非常重要的一环。
电子设计师必须考虑各种电子器件对于设备的热贡献，设计散热系统来降低设备中的温度。
正确的热设计能够降低产品的温度、延长产品使用寿命，提高产品的稳定性和可靠性。
二、计算机仿真技术在电子设备热设计中的应用计算机仿真技术是一种可靠的、经济的、高效的电子设备热设计工具。
它采用数学模型和计算机程序对电子设备的散热系统进行模拟分析，以确保设计的有效性和准确性。
计算机仿真技术在电子设备热设计中的应用主要体现在以下三个方面：1. 热传导模拟电子设备中的器件产生热能，并通过散热系统散发热能，而散热系统的热传导对于设备的热设计至关重要。
计算机仿真能够利用热传导模型对散热系统进行分析，得出热传导特性，并进而优化设计，使散热系统尽可能地提高传导效率。
2. 流体模拟电子设备热设计中的重要一环是散热系统的设计。
散热系统包括散热器、风扇等。
通过计算机仿真技术可以对散热器的气流动态进行分析，得出散热器对气流的影响，优化散热器的设计。
同时，还可以对风扇的输出风量进行模拟，以优化风扇的设计，使风扇在散热过程中发挥最佳的作用。
3. 三维建模计算机仿真技术可以通过三维建模的方式，对电子设备进行建模，仿真分析散热系统的效果。
LED投影机热设计分析与测试
LED投影机热设计分析与测试首先，LED投影仪的热设计是为了保证其正常运行时温度不会过高，避免热量对设备造成损害。
在设计中应考虑到LED的功耗、散热器的散热性能和散热区域的流通空气等因素。
LED投影仪的散热器通常位于设备的背部或底部，并与电子元器件直接接触，以便快速散热。
此外，设计中还应考虑到设备的整体外观，以确保其在散热的同时具有美观的外观。
其次，LED投影仪的热分析是为了确定设备在运行中是否存在热问题，并根据分析结果进行优化。
通过计算和仿真，可以评估散热器的散热能力是否足够，以及热量在设备内部的传导和扩散情况。
如果发现热问题，可以通过增加散热器的散热面积、调整散热风扇的转速或更换更有效的散热材料来解决。
最后，LED投影仪的热测试是为了验证热设计和分析的结果是否准确，并评估设备在不同工作负载和环境条件下的散热性能。
测试通常使用专业的热像仪和温度传感器等工具，可以对设备的表面温度进行实时监测和记录。
测试结果可以帮助优化散热设计，确保设备在各种情况下都能保持正常的工作温度。
在LED投影仪的热设计、分析和测试中，还应注意以下几点：首先，要考虑到设备的散热性能与功耗之间的平衡，避免功耗过高导致散热不够。
其次，要选择合适的散热器和散热材料，以提高散热效率和散热均匀性。
此外，还要考虑到设备的可靠性和安全性，确保散热设计符合相关的安全标准和规范。
总之，LED投影仪的热设计、分析和测试是确保设备正常运行和提高其寿命的重要环节。
通过合理的热设计和分析，优化设备的散热性能，可以提高设备的稳定性和可靠性，为用户提供更好的投影体验。
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热设计基本要求
工程上为简便计算，通常采用元器件经降额设计后允许的最高温度值做 为热设计目标。
双极性数字电路降额准则 降额参数 频率 输出电流 最高结温℃ 降额等级 Ⅰ 0.80 0.80 85 Ⅱ 0.90 0.90 100 Ⅲ 0.90 0.90 115
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热设计基本要求
热设计应满足设备预期工作的热环境的要求
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热设计应考虑的问题
应考虑太阳辐射给电子设备带来的热问题，应有相应的防护措施 应具有防止诸如燃料油微粒、灰尘、纤维微粒等沉积物和其它老化的 措施，以免增大设备的有效热阻，降低冷却效果 应尽量防止由于工作周期、功率变化、热环境变化以及冷却剂温度变 化引起的热瞬变，使器件的温度波动减小到最低程度 应选择无毒性的冷却剂；直接液体冷却系统的冷却剂应与元器件及相 接触的表面相容，不产生腐蚀和其它化学反应
冷却方法选择
散热器冷却方式的判据
对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于0.039W/cm2， 可采用自然风冷。 对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小于0.024W/cm2， 可采用自然风冷。 通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度大于0.039W/cm2而小 于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。 通风条件较恶劣的场合： 散热器表面的热流密度大于0.024W/cm2而 小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。
对流必然伴随有导热现象。
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对流
对流分为自然对流和强迫对流两大类。 自然对流是由于流体冷、热各部分的密度不同而引起的。 强迫对流是由于泵、风机或其他压差作用所造成的。
自然对流
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强迫对流
对流
对流换热系数
对流换热系数的变化范围很大，对于强迫风冷来说，大致在几 十这个数量级，大的可以上百。 沸腾换热及凝结换热也属于对流问题，它们是伴随有相变的对 流换热。
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对流
External Flow 外流
Internal Flow 内流
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对流
层流
湍流
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热辐射
辐射是物体通过电磁波来传递能量的方式，因热的原因产生的电磁 波辐射现象称为热辐射。 所有温度大于0 K的物体均发生热幅射 几乎所有热幅射发生在红外波长范围 热辐射可以在真空中进行，且真空中传递效率最高 能量传递率与表面条件及相关物体间的视角有关 辐射发射率ε（又称黑度），数值范围在0～1之间，大小与方向 有关，一般定义为法向发射率εn ，理想的黑体发射率为1。 在自然对流中，辐射与对流比重在3：7～5：5之间，温度升高， 辐射比重会增加。
电子设备预期工作的热环境包括：
• • • • • 环境温度和压力（或高度）的极限值 环境温度和压力（或高度）的变化率 太阳或周围其它物体的辐射热载荷 可利用的热沉状况（包括：种类、温度、压力和湿度等） 冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降
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热设计基本要求
热设计应满足对冷却系统的限制要求
传热学发展简介
数值传热学 • 随着计算机的迅速发展，用数值方法对传热问题的分析研 究取得了重大进展，在20世纪70年代已经形成一个新兴分 支——数值传热学。 • 随着科技的发展，传热学已经发展成为一门理论体系初具 和发展充满活力的基础学科。能源技术、环境技术、材料 科学、微电子技术、空间技术等新兴科学技术的发展，向 传热学提出了新的课题和挑战。
冷却方法选择
示例：功耗为300W的电子组件，拟将其装在一个248mm×
381mm×432mm的机柜里，放在正常室温的空气中，是否需要对此机柜采取 特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？
体积功率密度：
300 = 7350W / m 3 = 0.00735W / cm3 V 0.248 × 0.381× 0.432 热流密度： 300 = 410W / m 2 = 0.041W / cm 2 φ= 2 × (0.248 × 0.381 + 0.248 × 0.432 + 0.381× 0.432)
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热辐射
常用材料表面的法向发射率
高度磨光的金属表面：
ε = 1.2ε n
具有光滑表面的非金属物体：
ε = 0.95ε n
表面粗糙的物体：
ε = 0.98ε n
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热阻
• 热量传递过程中，温度差是过程的动力，好象电学中的电压，换热量 是被传递的量，好像电学中的电流，因而上式中的分母可以用电学中 的电阻概念来理解成导热过程的阻力，称为热阻（thermal resistance），单位为℃/W。其物理意义就是传递 1W 的热量需要多 少度温差。 • 在热设计中将热阻标记为R或θ。δ/(λA)是导热热阻，1/αA是对流换热 热阻。器件的资料中一般都会提供器件的Rjc和Rja热阻，Rjc是器件 的结到壳的导热热阻；Rja是器件的结到壳导热热阻和壳与外界环境 的对流换热热阻之和。这些热阻参数可以根据实验测试获得，也可以 根据详细的器件内部结构计算得到。根据这些热阻参数和器件的热耗， 就可以计算得到器件的结温。
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热设计基本要求
热设计应满足设备可靠性的要求
大多数电子元器件过早失效的主要原因是由于过应力（即电、热或机 械应力）。电应力和热应力之间存在紧密的内在联系，减小电应力（ 降额）会使热应力得到相应的降低，从而提高器件的可靠性。 如硅PNP型晶体管，其电应力比为0.3时，高温130℃的基本失效率为 13.9×10-6h-1，而在25℃时的基本失效率为2.25×10-6h-1，高低温失 效率之比为6:1。冷却系统的设计必须在预期的热环境下，把电子元 器件的温度控制在规定的数值以下。
LED热设计及CAE仿真应用
2011-4-20
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电子产品热设计的要求及方法 ； 影响LED散热的基本因素； LED自然冷却设计与仿真 ； 肋片散热器、热管散热器设计 ； LED路灯热设计实例 ； CAE仿真在LED热管理系统中的应用实例； 大功率LED封装散热技术及国外专利分析
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对流
影响对流换热的因素 流体流动的起因（强迫对流or自然对流） 强迫对流比自然对流h值大 流体有无相变（凝固or凝华or液化or气化） 流体的流动状态（层流or湍流） 湍流比层流 h值大 换热表面的几何因素（形状、大小、粗糙度、换热表面与流体运 动方向的相对位置） 粗糙表面比光滑表面h值大 流体的物理性质（密度、动力粘度、导热系数、比热容） 液体比气体h值大
• • • • 供冷却系统使用的电源的限制（交流或直流及功率） 对强迫冷却设备的振动和噪声的限制 对强迫空气冷却设备的空气出口温度的限制 对冷却系统的结构限制（包括安装条件、密封、体积和重量等）
热设计应符合与其相关的标准、规范规定的要求
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热设计应考虑的问题
应对冷却方法进行权衡分析，使设备的寿命周期费用降至最低，而可 用性最高 热设计必须与维修性设计相结合，提高设备的可维修性 设备中关键的部件或器件，即使在冷却系统某些部分遭到破坏或不工 作的情况下，应具有继续工作的能力 对于强迫空气冷却，冷却空气的入口应远离其它设备热空气的出口， 以免过热 舰船用电子设备，应避免在空气的露点温度以下工作；机载设备宜采 用间接冷却
传热学发展简介
热辐射 • 1889年卢默(O.Lummer)等人测得了黑体辐射光谱能量分 布的实验数据 • 19世纪末斯忒藩(J.Stefan)根据实验确立了黑体辐射力正 比于它的绝对温度的四次方的规律，后来在理论上被波尔 兹曼(L.Boltzmann)所证实。 • 1900年普朗克(M.Planck)提出了著名的能量子假说，揭示 了黑体辐射能量光谱分布的规律。直到1905年爱因斯坦 (A.Einstein)的光量子研究得到公认后，普朗克公式才被科 学家认同。
冷却方法选择
温升为 40℃时，各种冷却方法的 热流密度和体积功率密度值
冷却方法选择
冷却方法可 以根据热流 密度和温升 要求，按下 图关系进行 选择。这种 方法适用于 温升要求不 同的各类设 备的冷却
冷却方法选择
常用冷却方法对流换热系数及表面热流密度值
冷却方法选择
常用冷却技术单位面积的最大热流功耗
传热学发展简介
• 18世纪30年代，传热学在工业革命的大背景下发展成长起 来。导热和对流两种基本热传导方式早为人们所认识，第 三种热量传递方式则是在1903年发现了红外线才确认的， 它就是热辐射方式。 • 三种方式的基本理论的确立经历了各自独特的历程。
传热学发展简介
热传导 • 两个著名实验：1798年伦福特(B.T.Rumford)钻炮筒大量 发热实验；1799年戴维(H.Davy)两块冰块摩擦生热化为水 的实验。 • 1804年毕渥根据实验提出，每单位时间通过单位面积的导 热量正比例于两侧表面的温差，反比例与壁厚，比例系数 是材料的物理性质。 • 1822年傅里叶在实验的基础上重视数学工具的运用，发表 了著名“热的解析理论”，奠定了导热理论的基础。
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热设计流程
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LED散热基本因素
热量传递的三种基本方式：导热、对流和热辐射。
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导热
导热是物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由 电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。 例如，固体内部的热量传递和不同固体通过接触面的热量传递都是 导热现象。芯片向壳体外部传递热量主要就是通过导热。
传热学发展简介
对流换热 • 对流换热理论的基础是流体流动理论 • 1823年纳维(M.Navier) 提出的适用于不可压缩流体的流动 方程，1845年斯托克斯(G.G.Stokes)对此进行了改进，从 而完成了描述流体流动的纳维—斯托克斯方程。 • 1880年雷诺(O.Reynolds)提出了对流动有决定性影响的无 量纲物理量群，即雷诺数。 • 1909年和1915年努塞尔(W.Nusselt)对强制对流和自然对 流的基本微分方程及边界条件进行量纲分析获得了有关无 量纲数之间的原则关系，有力地促进了对流换热研究的发 展。