灯具LED热设计及仿真模拟

1.灯具热设计意义

高温对电子产品的影响:

–绝缘性能退化

–元器件损坏

–材料的热老化

–低熔点焊缝开裂、焊点脱落热设计对灯具的影响:

–光源工作状态及寿命

–灯具电气安全

–材料选择与寿命

2.电子失效的主要原因

3.电子产品失效与温升

4.热设计理论基础

热设计的基本问题

–耗散的热量决定了温升，因此也决定了任一给定结构的温度；

–热量以导热、对流及辐射传递出去，每种形式传递的热量与其

热阻成反比；

–热量、热阻和温度是热设计中的重要参数；

–所有的冷却系统应是最简单又最经济的，并适合于特定的电气

和机械、环境条件，同时满足可靠性要求；

–热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计同时进行，当出

现矛盾时，应进行权衡分析，折衷解决;

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）

–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

–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。

–可以用一个简单的模拟来解释热阻的意义，换热量相当于电流，温差相当于电压，则热阻相当于电阻。

dq/dt=∆T/R

Or：

d q / d t = ΔT / R = 热流T = 温度

A = 横截面积

k = 热导系数

ΔX = 厚度

R =ΔX /（k A）= 热阻

7.对流

–对流发生在有温差的表面和运动流体间的传热

–对流有如下两种方式：

自然对流散热

强制对流散热

External Flow 外流

Internal Flow 内流

dq/dt = 小块到空气的全部热量

h = 对流换热系数

A = 有效散热面积

Tw = 热表面温度

Tf = 气流的平均温度

R = 1 /(hA) 热阻

8.热辐射

–辐射发生在两种没有直接接触的表面

–能量通过电磁波传递

–所有物体大于0 K均发生热幅射

dq/dt:两个表面幅射交换能量为：

Where, dq/dt = 热流

σ= Stefan-Boltzmann 常数

ε= 表面发射率

f = 表面1到表面2的视因子

A = 辐射面积

T1, T2 = 发射面和接受面温度

9.LED光源特性

与传统光源不同，高功率发光二极管（LED）不产生热辐射，而由其PN结向LED封装上的散热片（thermal slug）进行热传导。由于通过传导方式扩散，LED 产生的热量进入空气的通路较长且成本较高。

10.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：–晶片PN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。

为了取得好的导热效果，三个导热环节应采用热导系数高的材料，并尽量提高对流散热。

11.散热片

12.LED散热基板

a.一般FR4（PCB）

b.金属基PCB

c.陶瓷基板

d.直接铜块结合一般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

–导热系数>80

–价格高,无法应用于大面积基板

13.散热片

散热器通过扩大散热面积提高传热效果最常用的散热器是翅片

散热器最常用的散热器材料为铝或铜

现有的散热器种类：

– Stampings 冲压

– Extrusions 拉伸

– Bonded/Fabricated 粘接

– Folded 折叠

– Casting 铸造

针对给定的应用选择散热器，我们必须考虑以下四点：

–从结点到空气的热阻

–允许空间

–可能的空气流量

–散热器的成本

整体的热阻

Rja = (Tj - Tamb)/P = Rjc + Rcs + Rsa

Rjc,Rcs,Rsa分别是结到壳，壳到散热器，散热器到空气的热阻

热管技术

热管是一种具有高效导热性能的传热器件。它能够在热源与散热片间以较小的温差实现热传递，也可以在散热器基板表面实现

等温以提高散热器的效率。

14.热设计的发展趋势

热管技术

Therma-Base™ heat sinks与型材散热器的比较

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。

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

Ansys 软件是由美国Ansys 公司推出的多物理场 有限元仿真分析软件，涉及结构、热、计算流 体力学、声、电磁等学科，能够有效地进行各 种场的线性和非线性计算及多种物理场相互影 响的耦合分析。Structure 是该软件面向结构 分析研究的专用模块。Flortran 是该软件面向流场分析研究的专用模块。Thermal 是其中面 向热设计研究的专用模块。 17.Flothermal 热分析软件介绍

Flotherm 是英国的FLOMERICS 公司开发的电 子设备热设计软件，其最显著的特点是针对电 子设备的组成结构，提供的热设计组件模型， 根据这些组件模型可以快速的建立机柜、插框、 单板、芯片、风扇、散热器等电子设备的各组成部分。

Flotherm 软件基本上可以分为前处理、求解器和后处理三个部分。

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