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5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 2LED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。为减小界面间接触热阻，螺纹间涂以导热胶。方案a、b和c外部结构如下：方案a：采用压铸成型，上下端盖无翅片，该方案模具简单，费用低，生产周期短。由于对称性关系，计算模型取其一半原形，计算模型见图2。图2 方案a的计算模型方案b：采用压铸成型，上端盖无翅片，该方案模具简单，费用低，生产周期短。由于对称性关系，计算模型取其一半原形，计算模型见图3。图3 方案b的计算模型方案c：采用压铸成型，上下端盖都有翅片，该方案模具较复杂，开模费用高，生产周期较长。由于对称性关系，计算模型取其一半原形，计算模型见图4。图4 方案c的计算模型根据产品的结构特点，在对其进行仿真分析时，我们主要考虑以下几个问题：1. 外壳温度最高点在那一部分？2. LED放置处底部温度最高为多少？3. 外形结构是否满足热流分布要求？为得出以上问题的答案，我们假设了静止空气对流边界条件，并且在LED与散热片间引入了界面接触热阻，根据以前的测试数据，接触热阻为5/W。2 方案a的仿真分析计算结果如下图：图a-1） 整体温度分布图图a-2） 上端盖温度分布图图a-3） 下端盖温度分布图3 方案b的仿真分析图b-1） 上端盖温度分布图图b-2） 上端盖温度分布图图b-3） 上端盖温度分布图4 方案c的仿真分析图c-1） 上端盖温度分布图图c-2） 上端盖温度分布图图c-3） 下端盖温度分布图5 仿真结果及热流分析三种方案温度如下表1：方案a方案b方案cLED 底部温度796159上端盖最高温度63.246.144.5下端盖最高温度67.248.747.6表1 各参考点温度由表1可见，方案a各参考点温度最高，方案c各参考点温度最低。为更进一步确定各设计方案的合理性，下面再以热流分布来分析热流设计之合理性。热流分布模型分别如图5、图6、图7所示。图5 方案a的热流分布模型图6 方案b的热流分布模型图7 方案c的热流分布模型从图5、图6、图7可得出如下结论：1. 绝大部分热流从LED放置片传至下端盖。2. 上下端盖分布翅片有利于热流分布均匀。6 结论由以上分析可见，方案a因表面温度过高，不满足客户要求，因此被否决。方案b和方案c表面温度都满足要求，但由热流模型可知，大部分热流流向下端盖，因此上端盖处开散热槽对其散热能力并无太大的帮助。这一点从其温度分布图也可以看出来，方案b和方案c的温度差在2之内。但由于方案c在上端盖处加了散热槽，从而使模具制造时间及成本都有所增加。因此选择方案b作为最终方案。从本文可以看出，在选择产品的设计方案时，采用热分析软件对各种设计方案进行仿真分析，并通过对比各种方案的温度场图、热流分布图及其它数据，可以快速有效的选择合理的方案，从而使设计人员设计出高质量的产品，并避免了生产的盲