基于ANSYS的LED灯具热分析.doc

基于 ANSYS 得 LED 灯具热分析南京汉德森科技股份有限公司饶连江摘要:大功率高亮度发光二极管(LED)以其节能、环保、寿命长等出色性能逐渐渗透到 现代照明中,业界专家预测在 21 世纪上半叶,以 LED 为代表得新型光源将会逐步发展成为 电光源得主流产品。然而,LED 照明仍面临着几大难题:发光效率、显色指数、结构散热等。 高温对 LED 发光质量与使用寿命影响巨大,从设计上说,防止过热就是最具挑战性得任务之一。 因此,使用计算机辅助分析结合实验得方法来模拟 LED 组件得工作性能变得越来越重要。 关键词:ANSYS、LED、CAE、热分析Thermal Analysis for LED Lump Based on ANSYSAbstract: Highpower highbrightness lightemitting diode (LED) for its energysaving, environmental protection, long life and other outstanding performance penetrate gradually into modern lighting、 LED experts predict that half of the 21st century LED lighting will be gradually developed as the main products of the power light、 However, LED lighting is still facing several big challenges: lightemitting efficiency, color rendering index, structure of thermal and so on、 High temperature on the LED lightemitting enormous impact on the quality and service life, from the design that prevent the overheating is the most challenging tasks、 Therefore, the use of puteraided analysis bined with experimental methods to simulate the working performance of LED lump bees increasingly important、Key Words: ANSYS、LED、CAE、heatanalysis一、引言:大功率高亮度发光二极管(LED)就是 21 世纪最具发展前景得一种新型冷光源。它得发 光机理就是靠 PN 结中得电子在能带间跃迁产生光能,当它在外加电场作用下,电子与空穴得 辐射复合发生电致作用将一部分能量转化为光能,而无辐射复合产生得晶格震荡将其余得能 量转化为热能。由于光谱中不含红外成分,产生得热量不能靠辐射散发,故称 LED 为冷光 源。目前 LED 得发光效率只有 10%25%,其余得能量转化为热能,如果 LED 芯片中得热 量不能及时散发出去,会加速器件得老化,一旦 LED 得温度超过最高临界温度,往往会造 成 LED 永久性失效。据报道,LED 在 30下工作得寿命比在 70下工作时长 20 倍1,因 此散热技术就是 LED 灯具设计得关键技术之一。热交换就是通过导热、对流换热与辐射换热三种基本方式进行得,可分为瞬态热交换与 稳态热交换。一般来说,工程分析中可不考虑辐射换热。对于连续介质,设某一时刻t ,物 体内所有各点在直角坐标系中得温度场为 t=f( x, y, z,t ),导热得微分方程可表达如下:rc t= (l t ) + (l t ) + (l t ) + F (1)txxyyzz式中 r 为密度,单位 kg/m; c 为比热容,单位 J/(kg、K);l 为热导率(导热系数),单位为W/(m、K); F 为内热源强度,单位 W/m。 对于连续介质,二维对流换热得能量微分方程如下:trcpt+ u tx+ v ty+ t( ux+ vy) = l(2tx22t+y2) (2)式中 cp 为比定压热容,对于固体与不可压缩流体,cp = c ;u, v 分别为 x, y 方向得速度2。 上述热交换得矩阵形式如下:C(T )T +K (T )T = Q(T ) (3)式中C(T ) 为比热矩阵;K (T ) 为传导矩阵,包含导热系数与对流系数;T为节点温度向量;T 为温度对时间得导数;Q(T ) 为节点热流向量。二、分析项目描述:1、 灯体描述:图 1LED 灯具模型图 2简化模型 分析模型就是一款某大型公司得 LED 灯具,外形规格4838,安装 3 颗 1W 得标准 LED,安装直径12(均布)。2、 灯体模型简化:为了节省计算机资源得开支,由灯具得对称性,取 1/3 模型进行简化分析(图 2),单颗LED 得封装结构及元器件组成见图 3 与图 4:图 3LED 封装结构图图 4单颗 LED 组成图 简化后得模型包括:灯体、铝基板、热沉与 LED 发光芯片。LED 封装得塑料部分(热阻很大)、透镜、衬底及细导线等可省略。根据文献,1W 单颗 LED 热辐射带走得热量约为总热量得 1、63%,只考虑热传导与对流, 改变不同封装填充材料,对热导温度得降低影响不大(即使找到一种热导率高达 7 W/m、K 得环氧树脂成分封装材料时,相比使用热导率仅为 0、25 W/m、K 得环氧树脂成分封装材料时, 芯片温度下降不多,铝基板温度只下降了 2、271,实际上,热导率超过 7 W/m、K 以上可商 业化得透明硅树脂封装材料目前尚无文献报导)3,LED 芯片通过银胶与热沉导热,热沉 与铝基板及铝基板与灯杯均通过硅胶导热,元件紧密结合,通常硅胶结合厚度为 um 级。为 便于分析,可以忽略银胶与硅胶得影响。LED 热沉材料常采用镀银铜,考虑到铜材纯度及银 胶对热导得影响,实际导热系数比铜略低。LED 芯片得热承受力不大于 110,考虑安全裕度(一般取为 1015),芯片 PN 结温 度不得大于 95,实际应用中,为了延长 LED 得使用寿命,结温一般控制在 70以下,该 值也常作为热设计得参考阀值,之后,温度每升高 10,寿命约降低一半。建立有限元模型时,考虑到网格划分,删除了对结果影响不大得圆角、小孔与部分小特 征。3、 若干关键问题讨论:(1)灯体材料: 灯体材料得选择主要考虑材料得导热能力、价格及工艺性。导热系数得大小表明金属导热能力得大小,导热系数越大,热阻越低,导热能力越强,导热系数得大小通常就是通过实验 得方法来确定得。在金属材料中,钻石与银得导热系数最高(见表 1),但成本太高;纯铜其 次,但加工不容易。LED 散热灯壳一般采用铝合金 6063T5,这就是因为铝合金得加工性好(纯 铝由于硬度不足,很难进行切削加工)、表面处理容易、成本低廉,通常由压铸或挤压成型, 实验表明,热导率约为纯铝得 1/2,随着温度上升,铝合金得热导系数呈增大得趋势,分析 中忽略了铝合金热导系数随温度得变化。表 1 金属导热系数表名称导热系数(W/m、K)钻石2300银429铜401金317铝237镁156锌121铁80锡67铅34、8(2)空气对流系数:热交换过程广泛地存在于管内自然或强迫对流流动、气体外掠平板等其它现象中。由于 热交换得计算关联式很难给出比较精确得计算结果,并且使用时很容易出现错误,所以通常 情况下我们建议使用一些经验得数据4。空气对流系数经验公式如下:内表面: h = 2、5 + 4、2v(4)外表面: h = (2、5 6、0) + 4、2v(5)式中 h 为空气对流系数,v 为空气流速。一块 0、2m水平放置得平板,在自然对流情况下与空气得对流换热系数大约为 5W/mK, 在空气流速为 3m/s 得强迫对流情况下与空气得对流换热系数大约为 15W/mK4,考虑到该 款 LED 灯多用于室内封闭环境,灯具外部对流系数取为 5W/mK,灯具内部对流环境取为 2、5W/mK,CAE 分析时取灯具得环境温度为室温 25。(3)发热量:散热问题就是功率型 LED 需要解决得一个重点问题,散热效果得优劣直接关系到器件得可 靠性。大家知道,增加 LED 得输入功率,LED 得亮度会成比例地增强,但由于 LED 得效率远 远低于 100%,目前功率型 LED 只能将少数部分电能转化为光能,而剩下得约 80%得能量转换 为热能,考虑电源发热、辐射换热及其她能量交换,综合实验测试数据,发热量可取为 LED 标称功率得 80%,本模型中得发热量约为 0、8W,芯片标称尺寸为 110、25mm,发热率为 3、2W/mm,为了模拟芯片均匀发热,芯片得热阻取为一个较小值。三、ANSYS 分析及实验测试热分析有限元软件采用在 CAE(puter Aided Engineering)行业领先得 ANSYS 软件。 ANSYS 软件就是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体得大型通用有限元分析软件。 由世界上最大得有限元分析软件公司之一得美国 ANSYS 开发,就是现代产品设计中得高级 CAD 工具之一。程序可处理热传递得三种基本类型:传导、对流与辐射,热传递得三种 类型均可进行稳态与瞬态、线性与非线性分析5。本次进行得就是稳态热交换分析。ANSYS 有限元分析结果主要包括温度分布、温度梯度及热流密度(图 58)。图 5温度分布图 6温度分布关键点值图 7温度梯度图 8热流密度我们选择了 3 个样品进行温度测试(测试点见图 9),光源分别为 Cree(2 个)与 Handson(1 个),测试设备为多点温度巡检仪(型号 TMP2,如图 10),采用热电偶温度测试原理, 测试结果如表 2,测试环境为室温 26、9,密闭房间。图 9灯具测试点示意图图 10多点温度巡检仪 TMP2 表 2LED 灯体温度测试结果测试项目引脚/外壳 1/外壳 2/外壳 3/Cree 1#69、557、858、656、8Cree 2#66、858、359、455、4Handson 3#69、05858、656、9四、结果分析:ANSYS 分析结果显示,最高温度出现在芯片及引脚部位,为 66、27(在阀值 70范围 内),最低温度为灯具外壳大端面处(外壳点 3),为 53、82,一般来说,LED 灯具得外 壳设计温度须低于 60。分析结果也显示了温度梯度及热传递矢量,可用于指导灯具元件 得布局。热通主要集中在热沉与铝基板得结合区域,为热导得主要通道,更换不同厂商得光 源,在相同得灯具功率下,温度分布及其温度梯度差异不大,与设计时得 CAE 分析结果对比 如下:表 3实验测试温度与 CAE 分析结果对比项目环境引脚温度/外壳温度/CAE 分析25、0,密闭66、2754、37854、00453、856实测 1#26、9,密闭69、557、858、656、8实测 2#26、9,密闭66、858、359、455、4实测 3#26、9,密闭69、05858、656、9ANSYS 分析就是在室温 25得密封环境下,外壳最低温度为 53、82,中心温度 66、27, 换算到测试温度(26、9)下分别约 55、7、68、2。考虑到测试设备、测试环境与有限 元模型得简化,存在一定得误差,最大误差为 3、5,中心引脚与外壳温度最大误差率分别 为:69、5 - 68、2 100% = 1、91%68、2(6)59、4 - 55、904 100% = 6、25%55、904(7)实验测试得外壳温度存在一定得温度梯度,导致该现象得主要原因为电路发热,在测试 点 1 得内腔安装有恒流源驱动电路模块,电路模块发热,会使测试点 1 与它附近得点 2 温度升高。而测试点 3 远离电路模块,所以与仿真值更为接近,最大误差仅为: 56、9(53、856+1、9)=1、144(8) 最大误差率为:56、9 - (53、856 + 1、9) 100% = 2、05% (9)53、856 + 1、9利用先进得计算机仿真分析,在设计时,我们就能比较准确得把握产品得温度分布情况, 针对温升比较集中得地方进行散热结构改进、优化,满足客户与设计得需求,从而提升产品 得质量与性能。参考文献:1 新一代绿色光源 LED 及其应用技术M、毛兴武等、人民邮电出版社,2008 2 热工基础M、于秋红、北京大学出版社,20093 改善大功率 LED 散热得关键问题J、王静、吴福根、电子设计工程,2009、44 Move Your Thermal Strategy For AirCooled Electronics Up In The Design FlowJ、Byron Blackmore、Robin Bornoff、John Parry,20055 ANSYS8、0 热分析教程与实例解析M、张朝晖、中国铁道出版社,2005