led筒灯散热仿真及光源布局优化研究

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2013年6月照明工程学报Jun．2013第24卷第3期ZHAOMINGGONGCHENGXUEBAOVol.24No.3LED筒灯散热仿真及光源布局优化研究1，2陈杰(1.厦门大学物理学博士后流动站，福建厦门361005;2.厦门华联电子有限公司，福建厦门361008)摘要:为了更好地解决LED筒灯散热问题，利用CFD热仿真软件建立LED筒灯散热模型。考虑了的材料导热率设置、热阻计算、辐射率设定、热载荷形式等影响灯具散热因素，然后用数值分析模拟和实验室测试相结合的方法，综合分析灯具散热情况。在此基础上，着重研究LED颗数及LED间距对光源散热的影响，在仿真分析的基础上对现有LED筒灯光源布局进行优化。经过实验测量验证，光源布局优化后的LED工作温度更为理想，能有效提高LED灯具的寿命，对LED筒灯的开发设计具有重要的实践意义。关键词:照明;LED筒灯;散热;建模;仿真中图分类号:TN312.8文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2013.03.013HeatDissipationModelingＲesearchofLEDDownlightandLightSourceLayoutOptimization1，2ChenJie(1.PostdoctoralFlowStationofXiamenUniversity，Xiamen361005，China;2.XiamenHualianElectronicsCo.，Ltd.，Xiamen361008，China)Abstract:InordertosolvetheheatdissipationproblemofLEDdownlight，CFDthermalsimulationsoftwareisusedtoestablishLEDdownlightdissipationmodel．Aftertheconsiderationofthermalconductivityofmaterials，thermalresistance，thermalradiationcoefficient，heatloadformsandotherfactors，thenumericalsimulationandcombinedlaboratorytestisusedtoanalysisthelamp'sheatdissipation．Basedonthisanalysis，thepaperisfocusedonthedissipationeffectwiththeLEDnumbersandthemutualdistance．ThenLEDchipslayoutofcurrentLEDdownlightisoptimized．ExperimentverifiestheLEDworkingtemperatureismuchlowafteroptimizationanditmayimprovetheLEDlamplifetimeeffectively．ThemethodmayalsobeusedinthefutureLEDdownlightdesign．Keywords:lighting;LEDDownlight;heatdissipation;modeling;simulationz度过高，导致发光效率降低、芯片发射光谱发生1引言红移、色温质量下降、荧光粉的转换效率降［1］低，工作寿命下降甚至可使LED永久失效等［2］LED用于照明存在一个共性的应用难题———问题。当前LED灯具散热方案分为被动散热散热，目前的LED仅有20%～30%的光电转换和主动散热，被动散热方案如自然散热、热管技［3］效率，其余的能量转化为热量。若灯具LED芯片术、均温板技术、回路热管技术;主动散热如［4］中的热量不能有效散发，会使LED芯片PN结温风冷散热、微通道热沉散热、半导体制冷散热基金项目:国家科技支撑计划项目(2011BAE01B10)，863计划项目(2011AA03A109) 82照明工程学报2013年6月等。这些散热方案结构相对较大，在道路照明如LED路灯、LED隧道灯等较大的灯具上可作为有效的方法，但LED筒灯由于其体积大小、外观要求、工作环境的限制影响，更多的还是采用自然散热。LED筒灯采用LED作为光源，其结构是在传统筒灯结构基础上进行改进。LED筒灯具备传统筒灯的特点，同时兼有了LED的所有优点:节能、低［5］碳、长寿、显色性好、响应速度快等。LED筒灯的设计更加的美观轻巧，安装时能达到保持建筑装饰的整体统一与完美，不破坏灯具的设置，光源隐图1LED筒灯实物图Fig.1LEDdownlightlamp藏建筑装饰内部，光源不外露。LED筒灯通常采用COB、阵列大功率LED(1W以上)、阵列中小功率LED(0.5W及以下)等几种光源形式，其中阵列中小功率LED光源的光学效果最好，人的视觉效果柔和、均匀，目前大部分LED筒灯都采用这种光源形式。利用有限元CFD仿真软件可以全面分析LED灯具的热传导、热对流及热辐射，分析求解LED灯具内外的温度场和流场等，适用于目前LED照明灯［6］具散热模拟仿真。白坤等对一种3芯白光LED筒灯进行有限元散热模拟，分析了衬底、锡膏、铜箔、铝基板等热通道材料的横向热阻和纵向热阻，并提出一种利用铜柱连接外部散热器的快速热通道优化图2LED筒灯三维模型设计;马湘君等［7］利用有限元方法分析计算了15WFig.2LEDdownlightlampmodelLED筒灯温度场，进一步分析了PCB导热率、导热［9］系数(K)来计算，见式(2)。胶导热率和芯片位置(相对于鳍片式散热器)等对ΔTLED灯具散热效果的影响。本文将从筒灯主要热源Ｒth=(1)P处———LED光源的布局分析它对LED筒灯散热的影LＲth=(2)响，采用散热模拟仿真与实验测量相结合的方法进A×K行研究，并将研究结果应用于LED筒灯产品改进设式中L———表示热通道路径的长度;计中。A———表示热通道有效横截面积。热阻可分为导热热阻和接触热阻。当热量在同2LED筒灯散热建模及仿真一物体内部以热传导的方式传递时，遇到的热阻称为导热热阻。当热量流过两个相接触的固体的交界本次研究选用一款8寸25WLED筒灯作为主要面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻，称为接研究对象，其实物如图1所示，三维造型模型图如触热阻;产生接触热阻的主要原因是，任何外表上图2所示。看来接触良好的两物体，直接接触的实际面积只是2.1热阻计算交界面的一部分，其余部分都是缝隙，热量依靠缝热阻(Ｒth)是指热量在热通道上遇到的阻力，隙内气体的热传导和热辐射进行传递，而它们的传公式定义为热通道的温差(ΔT)与热通道上的耗散热能力远不及一般的固体材料。表1列出部分常用［8］功率(P)之比，见式(1);也可通过材料导热材料的导热系数。 第24卷第3期陈杰:LED筒灯散热仿真及光源布局优化研究83表1常用散热材料导热系数③铝基板通过导热硅脂或硅胶垫片与散热器连Table1Heatconductivityvalueofcommonly接，此通道层设置成面接触热阻，厚度为0.5mm、useddissipationMaterial导热系数为1.5W/(K·m)即可。材料名称AL6063AL6061ADC12AL1030AL50522.2热载荷导热系数201155163200138当前照明用LED的光电转换效率ηLED约30%，W/(K·m)材料名称PBTPC玻璃陶瓷环氧亦即70%左右的LED输入功率PLED转换成热量，则导热系数0.2740.1890.749871.4950.2LED发热量QLED为W/(K·m)QLED=PLED×(1－ηLED)(5)对于部分热通道材料层因其厚度很小，在建模热载荷计算是散热仿真过程中的重要一环，过程中可不体现出来，而采用等效面接触热阻替代，LED灯具的热载荷主要分布在两个区域:光源便于散热建模CFD仿真分析。例如:LED和电源。25WLED筒灯热载荷17.5W，热源①采用回流焊工艺将LED光源焊接到铝基板有两种表现形式:体热源和面热源。两种形式的上，LED光源灯珠与铝基板间设置接触热阻。回流热源对于CFD散热仿真分析差别并不是很大，如焊层为主要材料成分为锡(96%)，厚度一般为0.1图4所示。～0.15mm，导热系数为60W/(K·m)。②如图3所示，铝基板由导电层、导热绝缘层和金属基层构成，导电层厚度微小、导热率好，因此可忽略不计;主要热阻由导热绝缘层决定，导热绝缘层厚度小、导热率差，而金属基层厚度大、导热好，若二者按同一材料体设置，仿真结果将会出现较大偏差。图4热源载荷设置Fig.4Heatloaddefinition2.3材料表面热辐射系数的设定不同材料的热辐射系数是不相同的，即使是同种材料不同表面处理工艺，其热辐射系数也不图3铝基板结构示意图［10］，因此在CFD散热仿真时，必须明确材尽相同Fig.3Aluminumsubstratestructure料及其表面处理情况。图5给出的是同一灯具，铝基板绝缘层与回流焊锡层的热阻进行换算成不同散热器表面辐射系数(旋压铝AL10600.65;一等效热阻Ｒ等效，计算公式如下:AL10600.85)的散热仿真结果比较。观察图5中Ｒ等效=Ｒ锡+Ｒ绝缘层(3)散热器多点仿真温度值和最高温度值可以发现，进一步，Ｒ等效可用等效导热系数r等效来表示，辐射系数的差异最终会影响到整个LED灯具温度而r等效可按下式计算:场分布情况。n∑hii=1r=(4)等效nhi∑i=1ri式中ri———各热通道层材料导热系数;hi———各通道厚度。文中灯具采用贝格斯铝基板(绝缘层厚度图5辐射系数实验0.076mm、导热系数1W/(K·m))，则等效导热Fig.5Thermalemissiveexperiment系数r等效为2.88W/(K·m)厚度0.226mm。 84照明工程学报2013年6月3.2现有25WLED筒灯光源板热仿真分析3散热模拟仿真建模25W8寸LED筒灯采用60颗5630LED布置的光源方案，灯具所使用的材料及其导热系数见表2。3.1实验室测试表225WLED筒灯灯具材料及其导热系数本次实验选用25WLED筒灯进行实验室测量，Table2Materialandheatconductivityvalueof25WLEDdownlight实验室测量设备采用8通道测温仪TP700，搭建的LED灯具实验室温度测量平台如图6所示，测量环零件名称散热器铝基板面环灯罩LED粘结材料境为无人走动恒温密闭实验房间。测量点位置如图材料AL1060AL5052AL1060PCCu硅胶垫导热系数2001382000.1893901.57所示，并与25W散热模拟仿真结果(如图8所W/(m·K)示)进行比较，从表2中可知，仿真结果较为准确，与实验室测量误差在3℃以内。因此，本次的环境温度设置为26.7°C，仿真结果如图8仿真数据得到的理论温度数据与实际温度数据较为所示。接近，可作为参考作用。3.3实验室测量与仿真试验数据分析从表3中数据可以发现，测量点②～⑥实测温度与仿真温度比较接近(基本在2%误差范围内)，仿真实验方法准确可信，后续将采用同样的参数和边界条件进行优化仿真分析实验。对比分析测量点①的实测温度高于仿真温度约5℃，经过分析，这是由于在样品制造生产过程中其工艺、装配以及后续的测量影响因素造成的，但可以分析出测量点①所处的最内环LED温度明显高于最外环。所以，以这一光源板布局来看，虽然其图6实验室测量平台LED工作温度还处于比较理想的范围内，但造成Fig.6Temperaturemeasurementplatform整个光源板的LED工作温度不均，最终会导致最内环LED寿命最短，影响光源板整体寿命。因此，综合实验测量及仿真结果，将对光源板布局进行优化设计，实现光源板整体LED工作温度降低，提高光源板整体寿命。表3实验室测量与仿真温度对比(室温26.7℃)Table3Temperaturecomparisonofsimulationandmeasurement(ambienttemperature26.7°C)图725W筒灯光源板温度测量点位置测试位置实验测量温度(℃)仿真温度(℃)误差(%)Fig.7Temperaturemeasurementpositionsonlightsource测试点①62.2957.16－8.24测试点②57.9057.04－1.48测试点③56.3056.490.34测试点④56.0054.96－1.86测试点⑤55.7956.731.68测试点⑥55.2055.480.514光源布局优化设计光源布局优化要兼顾到散热、电学、机械结构、图825W筒灯仿真分析结果Fig.8CFDsimulationresultsof25WLEDdownlight光学和生产工艺等多个方面。由于受光源铝基板尺 第24卷第3期陈杰:LED筒灯散热仿真及光源布局优化研究85寸限制，若仍然采用4环，光源布局并无多大可优4.1光源布局优化设计及散热模拟仿真化空间。因此，本次光源布局优化将从原先4环4.1.1不同数量LED光源布局仿真LED布局，调整为3环LED布局。根据功率设置、保持灯具总功率25W不变，配合驱动电源设光源板设计空间和光学要求，调整LED数量及LED计，布局考虑60颗、48颗和36颗三种，其他结排布间距，通过热仿真软件分析，确定最佳布局构、材料、电源和边界条件均一致，仿真结果见图方案。9，仿真数据对比见表4。图9不同LED颗数光源布局热仿真结果Fig.9CFDsimulationresultsofdifferentLEDquantity表4不同LED颗数光源布局仿真值对比表5不同环间距LED光源布局仿真值对比(模拟环境温度26.7℃)(模拟环境温度26.7℃)Table4SimulationtemperaturecomparisonsofdifferentTable5SimulationtemperaturecomparisonsofdifferentLEDquantity(ambienttemperature26.7°C)LEDringdistance(ambienttemperature26.7°C)LED颗数(个)LED环间距(mm)604836101214测量点测量点LED最高温度(℃)56.2153.8956.84LED最高温度(℃)55.7155.2553.89LED平均温度(℃)53.0653.3355.59LED平均温度(℃)54.7754.2753.33LED最低温度(℃)52.3652.9553.63LED最低温度(℃)53.9553.5252.95散热器平均温度(℃)47.1646.9645.44散热器平均温度(℃)46.1946.2046.96从图9和表5的对比可以看出，若LED筒灯电按照实验室测量得出的数据与仿真实验的数据源设计合理，理论上来说应当尽量采用小功率、多进行比较可以发现，第3种14mm的LED间距布局颗数LED的布局，会使得光源LED产生的热量较散热情况最佳，在保证光学输出不受影响和光源基为均匀且分散，避免过多的热源相互间热耦合影响。板尺寸允许的情况下，LED间距越大，可以最大程LED颗数过多，虽然可以使得热量较为均匀，但铝度地避免和减少LED间的热耦合现象。基板电路布线、生产制造以及LED焊接工艺的难度4.2优化后LED筒灯样品实验室测量就会增加，尤其是最高温度所在的最内环LED，由综合考虑光源LED的散热情况以及铝基板布线于数量较多也会存在热耦合影响使得最高温度较高;以及灯具出光需求，选定48颗LED、14mmLED间LED颗数过少，LED间距得到增加有利于散热，但距作为优化后光源布局方案。对布局优化后光源板单颗LED功率也不能偏大，应防止热量局部积聚而打样装配并在同等条件下进行实验室温度测量，与影响散热。综合对比，采用48颗LED的光源布局优化前对应测量点进行对比。图10是优化前光源板比较适合25W筒灯。(60颗LED)，图11是优化后光源板(48颗LED)，4.1.2不同环间距LED光源布局仿真温度测量数据对比结果见表6。从表6中可以看到，综合光源板尺寸大小，25W筒灯，48颗LED光源布局优化后的LED灯具，其工作温度更低，尤光源板，分别安排10mm、12mm、14mm三种LED其是LED的最高温度下降10%左右，明显改善散热间距的光源布局仿真实验，其他材料结构均一致，情况，保证光源板LED灯具寿命的均匀性，提高灯其温度对比结果见表5。具的整体寿命。 86照明工程学报2013年6月源散热的影响，研究发现在光源布局时应当综合考虑LED颗数与LED间距的关系，尽量避免和减少光源LED间的热耦合或出现局部热积聚，保证光源的整体寿命进而提高LED筒灯的寿命和可靠性。经过LED筒灯样品实验室测量验证，光源布局优化后的LED工作温度更为理想，能有效提高LED灯具的整体寿命，对将来LED筒灯的开发设计具有重要的实践指导意义。参考文献［1］ArikM，BeckerbC，WeaverbS，etal．Thermal图10优化前光源板(60颗LED)managementofLEDs:Packagetosystem［J］．ProcFig.10LightsourceboardbeforeoptimizationSPIE，2004，5(187):64～75．［2］毛兴武，张艳雯，周建军等．新一代绿色光源LED及其应用技术［M］．北京:人民邮电出版社，2008．［3］ZirongLin，ShuangfengWang，JiepengHuo，etal．HeattransfercharacteristicsandLEDheatsinkapplicationofaluminumplateoscillatingheatpipes［J］．AppliedThermalEngineering2011(31):2221～2229．［4］XiangJinahua，ZhangChunliang，JiangFan，etal．FabricationandtestingofphasechangeheatsinkforhighpowerLED［J］．TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChang，2011(21):2066～2071．图11优化后光源板(48颗LED)［5］Ming-TeLin，Shang-PingYing，Ming-YaoLin，etal．Fig.11LightsourceboardafteroptimizationHighpowerLEDpackagewithverticalstructure［J］．表6光源布局优化前后实验室测量值对比(室温26.5℃)MicroelectronicsＲeliability，2012(52):878～883．Table6Temperaturecomparisonoflightsourcelayout［6］白坤，吴礼刚，聂秋华等．大功率LED筒灯散热封装设beforeandafteroptimized(ambienttemperature26.7°)计与分析［J］．光学技术，2012，38(3):300～304．项目优化前优化后温降温度下降(%)［7］马湘君，吴礼刚，戴世勋等．大功率LED筒灯散热分LED最高温度(℃)63.557.21－6.29－9.9析［J］．照明工程学报，2011，22(16):18～21．LED平均温度(℃)57.6155.41－2.20－3.82［8］WengChunjen．AdvancedthermalenhancementandLED最低温度(℃)54.7053.92－0.78－1.43managementofLEDpackages［J］．International散热器平均温度(℃)46.9847.560.581.22CommunicationsinHeatandMassTransfer，2009，36(3):245～248．［9］XiangJianhua，YeBangyan，TangYong，ZhouWei，et5小结al．Formingtechnologyofboilingstructureonevaporationsurfaceofphase-changeheatsinkforhigh-powerlight本文在准确建立LED筒灯三维数学模型，综合emittingdiode［J］．JournalofCentralSouthUniversityof考虑影响灯具散热的材料、热阻、辐射率、热载荷Technology，2010，17(3):544～548．等因素，然后利用CFD热仿真软件，用数值分析模［10］Hsueh-hanWu，Kuan-kongLin，Shun-TianLin．Astudy拟和实验室测试相结合的方法，分析灯具散热情况。ontheheatdissipationofhighpowermulti-chipCOBLEDs在此基础上，着重研究LED颗数及LED间距对光［J］．MicroelectronicsJournal，2012(43):280～287．