LED灯具照 明设计热模拟的解析

文章来源 :川能光电 发布时间 : 2017-11-21 点击次数 : 86

近年来,LED照明市 场呈现爆炸性增长,其中绿 色立法和环境问题是最重要的因素。LED比传统光源(如白炽灯)效率高得多,比荧光灯更环保,不含汞,并且可 以调整颜色和亮度。 

因此,LED用途很广泛,可用于专业、工业和消费应用。但是,固态照 明产品的设计是一个复杂的多学科问题。在这里,我们将 重点讨论散热问题,以及热 模拟如何帮助开发团队开发出可靠的、符合外 形尺寸和性能的产品(图1)。

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事实上,LED灯的使用寿命(通常在25000-50000小时之间)并不能完全实现,固态照 明产品性能有时会随着时间的推移而退化。性能(光输出的质量和数量、使用寿命、颜色维持和其他参数)与灯具 或替换灯内的温度密切相关。对于给定的环境,灯具的 设计如何有效地消散内部产生的热量与温度直接相关。

1. 设计挑战 

另外两 个相关因素也影响了LED照明的长期可靠性:用于LED驱动电 路储能的铝电解电容器,以及市 场需求驱动照明制造商创造更加紧凑的灯具。 

除了机 电部件如风扇之外,铝电解 电容器在许多电子电路中会限制使用寿命。电容器是电化学装置,在正常操作期间,湿电解 质逐渐用于重新形成氧化铝介电层。 电容器最终会变干,并造成灾难性的后果。在高温下,这个过程会加速。 

在专业应用中,比如娱乐照明,就需要 较小的照明装置,这样运 输和操作时更容易,在使用 中也不那么突兀。在改造应用中,从路灯到家用筒灯,都需要 将尺寸和形状保持在老式照明技术所定义的范围内。在定向照明的情况下,通常要 包括在灯具内装上电子驱动器电路、以及LED发射器模块和透镜。

2.适配驱动电路

LED驱动器 电路需要将交流电网电压转换为低直流电压来驱动LED,并确保 以有效方式达到最大输出。尽管效率很高,LED芯片也会产生热量;驱动电路中的元器件,特别是 功率晶体管也会产生热量。如果将 所有发热部件放置在狭小的空间中,以满足 物理设计的限制,那么变热会很快,甚至超过LED结可承受的最高100°C。

LED灯具设 计师所面临的挑战是如何将所有这些东西都放在可用的空间中,同时确 保成品内部和外部关键点的温度保持在可接受的范围内。这时候,热模拟就能起到作用,特别是 在整个设计过程中。图2示出了 在热模拟下有良好散热的芯片模块范例。 

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3.热模拟的好处

以往,大部分 设计和开发工作都是基于使用“经验法则”从热学 角度计算一个特定组件、印刷电路板(PCB)或完整 组件可能的表现。由于任 何电子产品的设计和开发过程都是迭代的,所以在 整个产品开发过程中必须重复计算。在每个阶段,都需要纠正设计错误,甚至可能会漏掉热点。每一项 变更都会增加项目的时间和费用,增加在 市场中失去时机的风险。 

而且,这种方 法的精度相对较差,设计人 员不得不过度设计散热管理。举例来说,这可能 意味着使用更大的散热片,增加成 品的尺寸和成本,甚至可 能意味着在不需要风扇的情况下使用风扇,大大降低成品的“平均故障间隔时间”(MTBF)。 更可怕的是,成品生产出来之后,出现热问题,继而出现保修索赔、产品更换、品牌声誉受损等。

因此,热管理 使工程师能够设计更小、更经济、性能更好、寿命更长的产品。热模拟 让迭代设计更快,可以尝 试多种散热管理的选择,并最终 缩短产品上市时间。 

4. 在开发过程中模拟 

在设计过程中,越早进行热模拟,越能降 低需要进行重大设计变更以克服可能出现的热问题的风险。在整个项目中,电子、机械和 热工程师需要协同工作,以确保 在设计过程中考虑到热模拟的结果,并充分 认识到设计变更对热性能的影响。 图3描述了 具有不同学科背景的团队成员之间的互动。

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图3. 为了让热模拟有价值,各工程 师需要协同工作。(图片来源:Future Facilities Limited)

在开始的时候,一个非 常简单的概念模型 - 其中所 有的电子元件表示为一个集中的热块 - 可以用 来确定是否有可能在规格的限制内使照明灯具冷却(图4)。 产品的总功耗、尺寸、散热器 的尺寸以及风扇的气流(如果要使用的话)代表了 现阶段所有可用的信息。 

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在下一阶段,当初步 产品设计已经建立时,热建模 工具需要以下信息:

       o 组件的 详细信息及其在PCB上的位置

       o 最重要 组件的估计消耗

       o 照明灯 具外壳的大小轮廓

运行模拟之后,温度曲 线会突出显示组件可能超出其最大允许工作温度的位置。 

5.输入数据影响结果

输入数据越准确,模拟就越准确。初步模 拟的结果可以引导PCB设计者 和机械工程师朝可能有利于灯具热性能的方面做出改变。随着设计的发展,这个过程再次重复。

在生产原型之前,应该再 次模拟此前提出的最终设计。为了确 保模拟的结果是准确的,需要更详细的信息。 这包括:

       o 灯具中元件的热模型,这可以 从元件制造商那里获得

       o LED灯具外壳的3D CAD模型,这可以 以各种行业的标准格式导入到模拟工具中

       o EDA软件的PCB设计,这些可 以使用行业标准格式(如IDF和IDX)导入

       o PCB层内微 量元素铜的细节

       o 灯具中 所用材料的特性的信息

       o 根据工程计算,灯具内 部器件功耗的最新数据

一旦原型完成,开发团 队通过测量物理温度验证模拟的准确性。在评估这些数据时,重要的 是要考虑所使用测量设备的精度限制。这些可能是热电偶、芯片上 的传感器或红外传感器,具体取决于应用。

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