燈具LED熱設計及仿真模擬

1、1.燈具熱設計意義高溫對電子產品的影響- 絕緣性能退化- 元器件損壞- 材料的熱老化- 低熔點焊縫開裂、焊點脫落熱設計對燈具的影響：- 光源工作狀態(tài)及壽命- 燈具電氣安全- 材料選擇與壽命3.電子產品失效與溫開2.電子失效的主要原因 TemperaturejVibration Humidity DUSt1IncreaseinFailureRatewlrhTemperature-(fromabasetemperatureof50CK2500<2000115001.1000：500,-Oj1020304050pTemperatureRise.C .熱設計理論基礎熱設計的基本問題-耗散的熱量決

2、定了溫開，因此也決定了任一給定結構的溫度；-熱量以導熱、對流及輻射傳遞出去，每種形式傳遞的熱量與其熱阻成反比；-熱量、熱阻和溫度是熱設計中的重要參數(shù)；-所有的冷卻系統(tǒng)應是最簡單又最經(jīng)濟的，并適合于特定的電氣和機械、環(huán)境條件，同時滿足可靠性要求；-熱設計應與電氣設計、結構設計、可靠性設計同時進行，當出現(xiàn)矛盾時，應進行權衡分析，折衷解決； .熱傳播方式熱傳導-傳導是發(fā)生在兩種直接接觸的介質（固體，液體，氣體）-傳導過程中，能量通過以下方式傳遞 .熱阻-熱量在熱流路徑上遇到的阻力，反映介質或介質間的傳熱能力的大小，表明了1W熱量所引起的溫升大小，單位為C/W或K/W用熱耗乘以熱阻，即可獲得該傳熱路徑

3、上的溫升。-可以用一個簡單的模擬來解釋熱阻的意義，換熱量相當于電流，溫差相當于電壓，則熱阻相當于電阻。dq/dt=?T/Rz(dq"AATdt柒Highlythermalconducriv«(2-4)dq/dt=-k.A.AT/AXOr:dq/dt=AT/R=熱流T=溫度A=橫截面積k=熱導系數(shù)AX=厚度R=AX/(kA)=熱阻法Silicon(0.1)親Air(0.02>ARj=L/(A3,kj)7.對流-對流發(fā)生在有溫差的表面和運動流體間的傳熱-對流有如下兩種方式：dq/(lt=(T2-T1)/RR=Rj+R2+RjR=Li/(A.k。R1LJ(A.k»

4、R3=T,3/(AJ<3)自然對流放熱ExternalFlow外流InternalFlow內流Flow(atTemperature=Tf)dq/dt=h.A.(Tw-Tf)=AT/Rdq/dt=小塊到空氣的全部熱量h=對流換熱系數(shù)A=有效散熱面積Tw=熱表面溫度Tf=氣流的平均溫度R=1/(hA)熱阻HeatTransferCoeff,h,(W/mi-C)ThermalResisiancetR(C/W)NaturalConvectionAir2-255000-400Oils20-200500-50Fluohnerts25-250400-40Water100-1000100-10Force

5、dConvectionAir20-200500-50Oifs200-200050-5Fluohnets250-250040-4Water1000-100001018.熱輻射-輻射發(fā)生在兩種沒有直接接觸的表面-能量通過電磁波傳遞-所有物體大于0K均發(fā)生熱幅射dq/dt:兩個表面幅射交換能量為：(lq/dt=OEfA(T4rT42)Where,dq/dt=熱流o-=Stefan-Boltzmann常數(shù)&=表面發(fā)射率f=表面1到表面2的視因子A=輻射面積T1,T2=發(fā)射面和接受面溫度SurfaceTypeFinishEmissivity(at80F)PaintBlack(flatlacque

6、r)0,96-0.98PaintGrey0.84-0.91PaintWhite0.80-0,95PaintWhiteepoxy0.91-0.95PaintAluminumsilicone0.02MetalNickel021MetalAluminum0.14MetalSilver0.10MetalGold0,040.239.LED光源特性與傳統(tǒng)光源不同，高功率發(fā)光二極管(LED)不產生熱輻射，而由其PN結向LED封裝上的散熱片(thermalslug)進行熱傳導。由于通過傳導方式擴散，LED產生的熱量進入空氣的通路較長且成本較高。10.散熱設計大功率LED照明光源需要解決的散熱問題涉及以下幾個環(huán)

7、節(jié):- 晶片PN結到外延層；- 外延層到封裝基板；- 封裝基板到外部冷卻裝置再到空氣。為了取得好的導熱效果，三個導熱環(huán)節(jié)應采用熱導系數(shù)高的材料，并盡量提高對流散熱。R8jp=6-10<C/W/chip19922000Sapphire.Submount.11.散熱片口-GaNContactLaven/InGaN/GaNrmwwvwvwwwa"wwwww«"s/MultipleQuanuiinWell_p-GaNComactLayer1I,J.Solder加HTML3SlilJ0Sl<wSluiso5b，mc1.99cCWSubtoHoihiiik133X

8、W"He敏，mktoAmbtciiT4.00WtotalXP)th卜5Pk廠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,熱導系數(shù)0.36a.一般FR4(PCB)b.金屬基PCBc.陶瓷基板d.直接銅塊結合謁WCopperlayer(CircuitsSoldermaskf=R4PCBMetal-coreCopper<oiutectoF、白也.,ResistorDielectr

10、icPoorx-yThermalHEATGoodx-yTliennalConductivityConductivity(3W?mK)(03WnrKDielectric)DielectncFR4uMCPCB表面溫度比敕(a)FR4;Tj-180T加HUwuhbKTj-100C金屬氧化作為絕緣層，熱導系數(shù)20k/mk陶瓷基板- 熱膨脹系數(shù)與Chip匹配- 導熱系數(shù)80- 價格高，無法應用于大面積基板13.散熱片積提高傳熱效果散熱器通過擴大散熱面最常用的散熱器是翅片散熱器最常用的散熱器材料為鋁或銅現(xiàn)有的散熱器種類沖壓StampingsExtrusions粘接Bonded/FabricatedFold

11、edCasting允許空間針對給定的應用選擇散熱器，我們必須Rja=(Tj-Tamb)/P=Rjc+Rcs+RsaRjc,Rcs,Rsa分別是結到殼，殼到散熱器，散熱Tj67.1C68.1CTj-70.SC熱管技術熱管是一種具有高效導熱性能的傳熱器件。它能夠在熱源與散熱片間以較小的溫差實現(xiàn)熱傳遞，也可以在散熱器基板表面實現(xiàn)等溫以提高散熱器的效率。，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|(悟驊tev<w<hrnvib曲a*iwrIlkYfak*F*liAfeillgl|iLip41fEk!kLmUmUmjJ."%出hiZG牙jniJMt.Tbr，idk»)MisaftgmlfdMflWfbi4"II14.熱設計的發(fā)展趨勢-Base?heatsinks與型材散熱器的比較Therma-BaseHeatSink15 .熱設計對產品的溫度場作出預測

13、，使我們在進行產品設計開發(fā)時關注熱點區(qū)域。進行各種設計方案的優(yōu)劣分析，得出最佳的設計方案。對設計者經(jīng)驗的依賴度設計周期熱設并一次成功率熱設計力不的優(yōu)化程度效率傳統(tǒng)熱設計方法完全短低低，裕量大低仿真分析方法強長高高，裕量適中高電子設備熱設計軟件是基于計算傳熱學技術（NTS）和計算流體力學技術（CFD）發(fā)展電子設備散熱設計輔助分析軟件。目前商業(yè)的熱設計軟件種類繁多，有基于有限體積法的Flotherm、I-deas、Ice-pack、TasHarvardthermal、Coolit、Betasoft,及基于有限元的Ansys等，其中Flotherm、I-deas、Ice-pack占據(jù)大部分的市場份額

14、。16 .ANSYS軟件介紹Ansys軟件是由美國Ansys公司推出的多物理場有限元仿真分析軟件，涉及結構、熱、計算流體力學、聲、電磁等學科，能夠有效地進行各種場的線性和非線性計算及多種物理場相互影響的耦合分析。Structure是該軟件面向結構分析研究的專用模塊。Flortran是該軟件面向流場分析研究的專用模塊。Thermal是其中面向熱設計研究的專用模塊。17.Flothermal熱分析軟件介紹是英國的FLOMERICS公司開發(fā)的電子設備熱設計軟件，其最顯著的特點是針對電子設備的組成結構，提供的熱設計組件模型，根據(jù)這些組件模型可以快速的建立機柜、插框、單板、芯片、風扇、散熱器等電子設備的各組成部分。求解器和后處理三個部分Flotherm軟件基本上可以分為前處理、- 前處理包括ProjectManager、DrawingBoard和Flogate。- 求解器是Flosolve模塊，它可以完成模型的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)溫度場和流場計算。- 后處理部分包括Visulation、Flomotion和Table,Visulation完成仿真計算結果的可視化顯示。18.1 CEPAK熱分析軟件優(yōu)點ICEPAK是全球CFD的領導者FLUENT公司通過集成ICEMCFD公司的網(wǎng)格劃分及后處理技術而開發(fā)成功