LED灯具散热设计

《热设计与电磁兼容设计》课程论文《大功率LED灯的散热性能分析》组员：肖勇张睿1目录摘要..................................................................................................................................................21引言..............................................................................................................................................32LED灯散热技术........................................................................................................................33热分析工具...................................................................................................................................44一款大功率LED灯的热分析....................................................................................................54.1灯具物理模型....................................................................................................................54.2灯具热网络模型................................................................................................................54.3灯具热分析........................................................................................................................65改进设计.......................................................................................................................................75.1线路板挖空方案................................................................................................................75.2散热片优化方案................................................................................................................95.3加装热管方案..................................................................................................................115.4界面材料优化方案..........................................................................................................115.5加装风扇方案..................................................................................................................125.6均温板设计方案..............................................................................................................126结束语.........................................................................................................................................12参考文献首页.................................................................................................................................13《热设计与电磁兼容设计》课程论文《大功率LED灯的散热性能分析》组员：肖勇张睿2摘要新一代大功率LED灯光源具有环保和节能等很多优点，但大功率LED灯散热性差，易导致灯具光功率减小、芯片加速老化、工作寿命减短等问题，因此散热是制约其发展的一个至关重要的因素。本文以探讨大功率LED灯散热问题的四篇学术论文为参考，综合阐述了目前广泛运用的大功率LED灯散热技术、散热产品以及热分析工具，并介绍如何通过热分析对LED灯散热结构进行改进。关键词：大功率LED灯，ANSYS软件，热分析《热设计与电磁兼容设计》课程论文《大功率LED灯的散热性能分析》组员：肖勇张睿31引言发光二极管（LightEmittingDiode,LED）是21世纪最具发展前景的一种新型冷光源。LED的发光机理是靠PN结中的电子在能带间跃迁产生光能,芯片会有发热现象,特别是大功率LED,使用多个LED组装成一个模组,散热量大大增加。目前LED只有15%-20%的能量转化为光能,剩余80%-85%的能量都转化为热能,而芯片尺寸仅为2112.52.5mm，导致芯片的功率密度很大（达21/Wmm量级）。但是LED器件的散热性比较差，首先因为白光LED的发光光谱中不包含红外部分，即其热量不能依靠辐射释放；其次，LED灯具的扩散热阻及解除热阻都很大。而散热性差会导致很严重的后果，比如减少LED的光输出，缩短器件的寿命，偏移LED所发光的主波长等。因此,如何使这些热能以最短的路径,最快速的方法,并且最大化的散发出去成了关键问题之一。LED的热管理主要包括3个方面：芯片级、封装级和系统集成散热级。其中，芯片是主要的发热部件，其量子效率决定发热效率，衬底材料决定芯片向外传热效率；对封装而言，封装结构、材料以及工艺直接影响散热效率；系统集成散热级也就是所谓的外部散热器，主要包括散热片、热管、风扇、均温板等。近年来，LED散热问题逐渐被国内外学术界关注，相应地开展了各种研究，然而由于LED灯具散热多为经验化设计，散热系统专业性比较差，以至于目前LED灯具的散热问题仍然很严重。因而，对大功率LED灯具进行热分析和热设计具有重要的现实意义。本文首先介绍了目前LED灯的散热技术以及常用的热分析工具，然后选用一款大功率LED灯作为研究模型，利用ANSYS有限元分析软件对该款LED灯进行了热分析，得到该灯具各部分的温度分布以及芯片的最高温度，在此基础上对该灯结构进行了改进，得到满意的散热效果。2LED灯散热技术目前大功率LED灯主要散热技术有散热片、热管、均温板、辐射涂覆层、导热膏、导热垫片等。散热片是利用扩大的表面积将热对流散发到环境中，影响散热片散热性能的因素有散热片形状，翅片数量、间距、尺寸大小、倾斜角度，散热片的材料以及加工工艺等，也是最常用的散热技术，本文中模型灯具就是采用散热片来散热的。热管是利用冷凝液相的循环变化，将LED发出的高热量导出并散发掉。一般情况下热管冷端与散热片配合使用，来达到更好的散热效果。均温板与热管的原理类似，只是热管是一维单向传热，而均温板为面传热，具有二维《热设计与电磁兼容设计》课程论文《大功率LED灯的散热性能分析》组员：肖勇张睿4性，使整个散热器表面温度均匀。辐射涂覆层是在散热器外表面涂覆散热涂料，提高辐射率，使热更有效的辐射出去。而导热膏与导热垫片是为了减小接触热阻。LED灯散热缺陷主要有以下4点：1）LED灯具散热翅片布置方式不合理。散热翅片的布置没有考虑到灯具的使用方式，影响到散热片散热效果的发挥，应该设计符合产品自身特点的散热翅片。2）LED灯具过分强调热传导环节、却忽视了对流散热环节。热管、导热硅脂等散热措施均是通过热传导方面来减小热阻，但热量最终还是要依靠灯具的外表面积散走，所以在外表面涂覆辐射涂料是一个发展趋势。3）LED灯具忽视传热的均衡性。如果翅片的温度分布严重不均匀，将会导致其中一部分的翅片没有发挥作用或作用很有限，均温板可以起到使温度均衡的作用。4）灯具的散热最好是寻找设计最短的散热通道，使热量尽快的释放到大气中。其中，界面热阻是散热通道的瓶颈，所以散热的重点还应该放在界面导热材料上。3热分析工具热分析软件能够比较真实地模拟系统的热状况，能够在产品设计阶段对其进行热仿真，确定出模型中温度的最高点。如果超过许用温度，需对散热措施进行改进，使其达到使用的要求。这样可减少设计成本、再设计和再生产的费用，提高产品的一次成功率。目前热分析软件多种多样，主要有ANSYS、FLUENT、EFD、ICEPAK及FloTherm等。1）从操作性上来讲，EFD嵌入PRO/E、SW、CATIA软件中，该软件模型建立比较方便，设置简单，对于工程中的粗略计算比较有用，但是该软件占用系统资源较多，网格不宜划分过多，计算精度也不高。2）从适用性上来讲，ICEPAK嵌入了ANSYSWB12.1中，能够处理一般复杂的曲面，模型导入功能得到了相当大的提升，软件操作简单，与EFD一样，不需要手动计算流态，可以处理复杂网格，计算速度快。3）从电子散热传统来讲，FloTherm比ICEPAK更广，长期占据电子热分析市场，但是该软件处理曲面较难。对于做LED灯具设计者来说，模型处理是一个关键问题。4）从专业上来讲，ANSYS和FLUENT是学术和论文的首选软件，它们讲求从理论精确计算。ANSYS软件是基于有限元的方式，计算结果精度高，适用于《热设计与电磁兼容设计》课程论文《大功率LED灯的散热性能分析》组员：肖勇张睿5理论基础较高者使用，可以方便的实现手动编程和优化设计。基于上述比较，本文中采用ANSYS软件进行热分析。4一款大功率LED灯的热分析本文采用一款大功率LED灯为模型进行研究，运用ANSYS软件对该灯具进行热仿真分析，分析步骤为：建立简化模型、设置边界条件、划分网格并计算。4.1灯具物理模型选用浙江某LED公司研制的一款大功率LED隧道灯作为研究模型，如图1所示，该灯具由LED灯珠、灯盖、皮垫、反光镜、电路板、散热片及电源等组成。图1LED隧道灯结构图2LED灯珠外形其中，灯珠如图2所示，属于集成式封装结构。每个灯珠封装9个GaN蓝光芯片，三串三并连接起来，芯片表面涂有荧光粉进行光补偿，用环氧树脂将芯片进封装，并用银胶将其固定于铜热沉上，加装透镜，用金线连接电极。热沉与线路板通过导热硅胶相连，线路板与散热片通过散热片四边上的螺钉固定，为减小接触热阻，线路板与散热片中间层也涂覆导热硅胶。4.2灯具热网络模型由灯具结构可分析该LED灯的散热途径主要有3个：1）芯片—荧光粉层—环氧树脂—透镜—环境；《热设计与电磁兼容设计》课程论