LED照明产品热仿真技术.docVIP

LED照明产品热仿真技术 散热设计是LED照明产品开发的关键技术之一。热仿真是电子产品散热设计的一项主要内容，广泛用于预测许多电子产品散热方案可行性、优化电子产品的散热设计以及为需要进行热测试的电子产品确定最有效的测试方案等。准确快速的热仿真可以缩短产品开发周期、降低开发成本。本文系统论述了LED照明产品热仿真的基本原理和方法，并给出了热仿真的典型案例，对于LED照明产品热仿真具有重要的参考意义。 　　一、LED照明产品热仿真概述 　　1、数值计算方法 　　热仿真是一种利用数值计算对流动与传热问题进行求解的方法，是与试验(测试)和理论分析相并列的第三种分析方法。 　　数值计算就是把计算域内有限数量位置(网格节点)上的因变量值当作基本的未知量，并根据需要求解的控制方程(微分方程)提供一组关于这些未知量的代数方程，以及求解这组方程的算法，从而在每一个网格节点上直接求解控制方程的方法。 　　电子产品热仿真需要求解的控制方程主要包括质量守恒方程(连续性方程)、动量方程(运动微分方程)、能量方程以及求解湍流N-S方程所需要的补充方程等。 　　2、热仿真软件 　　理论上所有的CFD(Computational Fluid Dynamics：流体动力学)软件都可以作为电子产品热仿真的软件。CFD软件大体可以分为通用CFD软件、工程化的CFD软件和电子散热专用热仿真软件三类。 　　一般情况下，通用CFD软件(如FLUENT 等)对用户的专业知识背景要求较高，并且软件操作较复杂。电子散热专用软件是专门针对电子产品散热设计开发的热仿真软件，对用户CFD专业知识背景要求较低，操作也较简单，并且提供了大量的电子散热常用组件，这类软件主要包括Flotherm 和Icepak 等。工程化的CFD软件性能介于通用CFD软件与电子散热专用软件之间，其采用工程化的操作界面，操作较简单，计算能力较强。如CFdesign和FloEFD都能够方便地导入CAD 模型，并且还增加了部分常用的电子散热组件。 　　3、热仿真的特点 　　热仿真与热测试的区别主要包括： 　　(1)热仿真不需要样品，所以可以在产品开发前期预测产品方案的可行性； 　　(2)热仿真边界条件为理想的条件，如准确的环境温度及环境风速等，而热测试的环境温度及风速很难实现精准的控制； 　　(3)考虑到计算的速度和精度，热仿真模型需要对产品实际模型进行简化。 　　热仿真的优势包括： 　　(1)不需要样品，可以快速优化方案； 　　(2)可以区分以不同方式(对流和热辐射)传递的热量，便于对产品进行直观的热流分析及有针对性地改进散热设计。 　　另外，热仿真与热测试的条件及方法的差别导致热仿真与热测试的结果往往存在一定的偏差。所以，热仿真结果一般不作为散热方案可行性的最终判据。并且，一味地追求热仿真与热测试结果的一致也是毫无意义、徒劳无功的。 　　二、LED照明产品热仿真方法 　　1、热仿真模型的建立及简化 　　热仿真模型的建立包括几何模型的导入或建立、环境变量(环境温度、风速、重力方向及大小等)设置、求解域大小设定、网格划分、计算收敛标准设定、材料属性(密度、比热容、导热系数、表面的发射率，即热辐射率等)定义、热源设置等。热仿真开始前需要正确定义以上每一项内容，以便得到正确的结果。 　　一般情况下，热仿真模型都需要对产品的几何模型进行简化。因为一些尺寸较小的特征和零部件往往会极大地增加网格数量，不但增加计算量，而且会降低网格质量，影响计算精度。这些小的特征和零部件对产品散热的影响一般都较小，如果对散热影响较大也可以通过估算的方式评估该影响。一般，需要进行简化的特征及零部件主要包括： 　　(1)较小尺寸的特征：如螺纹、导角、非散热的孔、翅片波纹等； 　　(2)较小尺寸的零部件：如螺丝、弹簧、卡扣等； 　　(3)较小热流密度的接触热阻：如1W/cm2以下的接触热阻等(对于某些热仿真软件，如FloEFD等，软件有提供模拟接触热阻的组件，可以采用接触热阻组件模拟接触热阻)； 　　(4)热源的简化： 　　对于LED照明产品来说，热仿真主要分为系统级(照明产品)与封装级两个层级。系统级热仿真，一般将LED简化为均匀的体热源，计算出来的温度作为LED管脚的温度，LED的结温需要利用LED的封装热阻及功率进行计算； 　　LED封装级的热仿真是为了优化LED封装的结构，减小LED的封装热阻，所以要考虑LED的详细结构。 　　2、热仿真结果分析 　　热仿真结果主要包括温度、速度(流动)及热流分布(热量传输途径)的结果。 　　图1 某LED射灯灯体的温度分布 　　对于模型中的温度分布，主要注意模型中温度梯度(温差)较大的区域或者环节，以便改进散热设计。 　　图2 某LED灯具腔体内的流场分布 　　对于模型中的流场分布，主要注意流场中流动