灯具LED热设计及仿真模拟

1、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- 灯具电气平安- 材料选择与寿命3.电子产品失效与温开2.电子失效的主要原因 TemperaturejVibration Humidity DUSt1IncreaseinFailureRatewlrhTemperature-(fromabasetemperatureof50CK2500<2000115001.1000：500,-Oj1020304050pTemperatureRise.C .热设计理论根底热设计的根本问题-耗散的热量决

2、定了温开,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； .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 .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,说明了1W热量所引起的温升大小,单位为C/W或K/W用热耗乘以热阻,即可获得该传热路径上的

3、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,那么热阻相当于电阻.dq/dt=?T/Rz(dq"AATdt柒Highlythermalconducriv«(2-4)dq/dt=-k.A.AT/AXOr:dq/dt=AT/R=热流T=温度A=横截面积k=热导系数AX=厚度R=AX/(kA)=热阻法Silicon(0.1)亲Air(0.02>ARj=L/(A3,kj)7.对流-对流发生在有温差的外表和运动流体间的传热-对流有如下两种方式：dq/(lt=(T2-T1)/RR=Rj+R2+RjR=Li/(A.k.R1LJ(A.k»R

4、3=T,3/(AJ<3)自然对流放热ExternalFlow外流InternalFlow内流Flow(atTemperature=Tf)dq/dt=h.A.(Tw-Tf)=AT/Rdq/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=热外表温度Tf=气流的平均温度R=1/(hA)热阻HeatTransferCoeff,h,(W/mi-C)ThermalResisiancetR(C/W)NaturalConvectionAir2-255000-400Oils20-200500-50Fluohnerts25-250400-40Water100-1000100-10Forced

5、ConvectionAir20-200500-50Oifs200-200050-5Fluohnets250-250040-4Water1000-100001018.热辐射-辐射发生在两种没有直接接触的外表-能量通过电磁波传递-所有物体大于0K均发生热幅射dq/dt:两个外表幅射交换能量为：(lq/dt=OEfA(T4rT42)Where,dq/dt=热流o-=Stefan-Boltzmann常数&=外表发射率f=外表1到外表2的视因子A=辐射面积T1,T2=发射面和接受面温度SurfaceTypeFinishEmissivity(at80F)PaintBlack(flatlacquer

6、)0,96-0.98PaintGrey0.84-0.91PaintWhite0.80-0,95PaintWhiteepoxy0.91-0.95PaintAluminumsilicone0.02MetalNickel021MetalAluminum0.14MetalSilver0.10MetalGold0,040.239.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(thermalslug)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本钱较高.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

7、:- 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,并尽量提升对流散热.R8jp=6-10<C/W/chip19922000Sapphire.Submount.11.散热片口-GaNContactLaven/InGaN/GaNrmwwvwvwwwa"wwwww«"s/MultipleQuanuiinWell_p-GaNComactLayer1I,J.Solder加HTML3SlilJ0Sl<wSluiso5b,mc1.99cCWSubtoHoihiiik133XW

8、"He敏,mktoAmbtciiT4.00WtotalXP)th卜5Pk厂LED)?hb-aXPLEDjunctiontemperatureAmbienttemperatureHeatsinkthermalresistanceSingleLEDpowerconsumption(Operatingcurrent)x(TypicalVfOperatingcurrent)Totalpowerconsumption=(#LEDs)xP®LEDpackagethermalresistanceTjMAXR%h育thb-aprLEDPtotalD'thj-sp=16x1.155W

9、=18.48WExampleluminairevalues:=80=0.47/W=0.35Ax3.3V=1.155W/WMAX=LMAX-(Rhb-aXtotal)-(j-gpXLED)1；MAX=8O-(0.47/Wx18.48W)-(8/Wx1.155W)TMAy=8O-8.6856-9.24max=62LEDChiptj股FR4,热导系数0.36a.一般FR4(PCB)b.金属基PCBc.陶瓷基板d.直接铜块结合谒WCopperlayer(CircuitsSoldermaskf=R4PCBMetal-coreCopper<oiutectoF、白也.,ResistorDielectr

10、icPoorx-yThermalHEATGoodx-yTliennalConductivityConductivity(3W?mK)(03WnrKDielectric)DielectncFR4uMCPCB外表温度比敕(a)FR4;Tj-180T加HUwuhbKTj-100C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.散热片积提升传热效果散热器通过扩大散热面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冲压StampingsExtrusions粘接Bonded/FabricatedFold

11、edCasting允许空间针对给定的应用选择散热器,我们必须Rja=(Tj-Tamb)/P=Rjc+Rcs+RsaRjc,Rcs,Rsa分别是结到壳,壳到散热器,散热Tj67.1C68.1CTj-70.SC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外表实现等温以提升散热器的效率.,年ufMvbIkM*thfL«ph4BfllMkJUkF.bidp*MriiI'lwiIbvtafp干dhrK'ffliLAtMlrttnAMehlWill3l干iWBiMLThulwAhu*1.ErfliMi*AImlri

12、b、pmi>lthiwkLMmuteftr1“fMUir中dhmrln.AMS-41dLfIlhfiJI*冉liiftwcIlkk才彳Lraltillhl.pMMTirItmlW-hfcft|(悟骅tev<w<hrnvib曲a*iwrIlkYfak*F*liAfeillgl|iLip41fEk!kLmUmUmjJ."%出hiZG牙jniJMt.Tbr,idk»)MisaftgmlfdMflWfbi4"II14.热设计的开展趋势-Base?heatsinks与型材散热器的比拟Therma-BaseHeatSink15 .热设计对产品的温度场作出预测

13、,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,得出最正确的设计方案.对设计者经验的依赖度设计周期热设并一次成功率热设计力不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开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、TasHarvardthermal、Coolit、Betasoft,及基于有限元的Ansys等,其中Flotherm、I-deas、Ice-pack占据大局部的市场份额.16

14、 .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局部.求解器和后处理三个局部Flotherm软件根本上可以分为前处理、- 前处理包括ProjectManager、DrawingBoard和Flogate.- 求解器是Flosolve模块,它可以完成模型的瞬态和稳态温度场和流场计算.- 后处理局部包括Visulation、Flomotion和Table,Visulation完成仿真计算结果的可视化显示.18.1 CEPAK热分析软件优点ICEPAK是全球CFD的领导者FLUENT公司通过集成ICEMCFD公司的网格划分及后处理技术而开发成功