熱仿真簡化LED光源的研發(附圖)

簡介

　　任何一種形式的電氣照明產品都產生一種負產品：熱。從白熾光源到螢光照明，代代工程師都在研發將熱量最小化或將從光源或設備分離熱量的方法。然而led照明，目前正以不斷提高的質量和不斷增加的形式，帶來了新的和不同的挑戰。

　　熱量的發展會降低LED光輸出，引起顏色的改變，同時，縮短元件的使用壽命。據說，熱管理是到目前為止，對LED系統設計最關鍵的方面。從一個工程師的角度而言，這意味著要學習跨越結構和電子設計領域常用的工具，要熟悉結構和電子設計範疇之外的流程。幸運的是，現在已經有熱設計解決方案，在熱驗證和測試挑戰方面，能幫助簡化工程師的設計之路。

　　驗證設計概念

　　研發一種新的光源系統時，必須驗證最基礎的產品概念，使結構方面和美學方面的想法與熱性能的實際需要能統一。

　　成功的LED系統設計關鍵是將活動設備的熱量有效地從它的PN結轉移到環境。焊接LED的PCB板和外殼都參與到熱流路徑中。設計工程師必須確定，外殼和護罩在轉移熱量方面表現出效率。製造和測試系列實物樣品來驗證這一點是昂貴的，並且需要的時間多，因此，近日的設計工程師在設計早期階段一般採用基於軟體的方法。

　　比較受歡迎的方法是使用計算流體力學(CFD=Computational Fluid Dynamics)分析，以虛擬的方式模擬計劃中的設備。對於早期設計概念而言，這個方法比建立實物樣品要靈活很多，並且一樣有效。虛擬模型將特性很好指出後，實物樣品就可在此基礎上明確哪些可行，哪些不可行。一直以來，CFD仿真都是由一些具備有高級數據和流體力學背景的分析人士來操作，它要求執行分析的人員掌握複雜的CFD建模工具。

　　最新的發展將CFD技術帶到了結構工程師的桌面，極大地簡化和加快了分析。新的流程，即同步CFD，將準備和執行仿真分析要求的大部分工作步驟自動化。使用無縫集成在通用MCAD環境，比如Pro/ENGINEER®，使得結構工程師能對一個新光源設計建立虛擬仿真模型，並檢測散熱性能。

一款無縫集成的同步CFD應用比如Mentor Graphcis公司的FloEFD™軟體：

　　––通過直接使用MCAD模型，使用在MCAD應用中所保存的設計的尺寸和物理特徵

　　––檢測流體區域和固體區域，並為這些區域劃分網格，創建高級自動網格

　　––幫助工程師設置邊界條件

　　––自動提供求解控制設置，在求解器計算時幫助確定收斂

　　設計驗證的底線，不論產品是一款新光源，還是對現有設計進行修改，都應是詳細了解LED設備的熱表現。如果在研發的新LED燈具中，放置已有的設備，那麼詳細了解熱表現也非常重要，因為將原裝置的散熱性能與燈具配套是關鍵。

　　熱數據應該從LED供應商手中獲取，儘管在目前的行業標準中缺乏這些信息，在印刷的產品規格中，提供的信息通常不夠全面。比如，熱性能數據通常會提供，但是它也許不包括工作溫度範圍，最終用戶系統實際工作時的溫度在哪個範疇。然而，設計工程師必須依靠LED製造商提供的數據或簡約模型來執行光源評估，或公司內部測試，或開始早期光源設計。

圖1：LED光源的MCAD模型（點擊圖片放大）

　　流程從光源的結構設計開始。圖1展示的是原始設計步驟。描述的系統包含了一個整體接頭（圖中黃色部分），它連接燈具的外罩，燈具外罩的鰭片起著散熱器的作用。接頭插在一個套接座上，設計套接座有時候是讓它能進一步傳導熱量，作為散熱系統的一部分。然而，在這個特殊的系統中，套接座只是支撐和連接燈具的一個工具。光源是一個功率LED，它安裝在一個金屬芯PCB上。在圖1中，燈具長度省略了，這是為了更好的展示LED的詳細信息。

使用同步CFD工具，準備熱分析的工作就能非常高效地進行。同步CFD應用產品是無縫集成在MCAD環境中的，所以光源的尺寸和物理特性就已經存在於CFD應用中了。具體就如圖1中所展示的。

　　如果有需要時，CFD工具也自動模擬分析中需要處理的流體區域中存在的內部空穴。這種需求，在處理管道內流體的問題時，更為常見。對於通過光源的氣流以及光源周圍的氣流，這個應用中我們需要關注。

　　創建計算網格

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圖2：燈具組件中心切面的計算網格

　　內部溫度及它們的分布是熱分析中關注的重點，同步CFD應用（同樣還是使用MCAD數據）能顯示任何二維面，提供橫截面視圖，展示光源的內部情況。然而，首先卻是要創建計算網格，如圖2。同步CFD自動執行這一步驟。

在這裡網格只是一個概念，然而，網格是複雜的CFD計算的核心。設備表面分布著小的矩形單元，每一個都跨越在實體和流體間，分開的區域被單獨計算。之後程序生成混合結果，將所有網格包含在內。

　　注意到在圖2中，網格單元尺寸不一。與外罩外圍的網格相比，簇集在LED周圍的網格尺寸更小。這是因為高級的同步CFD技術為需要更高網格精度
的區域自動提供更細密的網格。

　　接下來，工程必須定義邊界條件，它們是在計算中要用到的設備的工作參數和限制。必須設定外部環境溫度，以及LED設備的功率，CFD分析的多次迭代中將使用到。

　　圖3：通過燈具中心二維面的溫度，以及矢量，顯示由燈具外部自然對流引起的流動。在該圖和其他相關雲圖中的矢量使用Mentor Graphics公司的FloEFD軟體計算的。FloEFD是經市場證明了的同步CFD產品，無縫集成在MCAD環境，直接使用結構模型的CFD工具。

　　圖3顯示的是橫切面的CFD計算結果。它不僅顯示了熱量在燈具實體部件的分布，也顯示了與燈具外部對流的氣流矢量。這個案例中的三維圖適合可視化內部情況，但是流動矢量適合二維平面。這個視圖中，顏色從紅（最熱）到藍（最冷卻），在這兩個極端之間存在橙色和綠色。

轉移熱量

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　　圖4：整個燈具面朝下時的粒子跡線，顯示的是自然對流如何在燈具外罩的外部引起空氣的流動。隨著燈具上部流動加速，「熱煙」減少。（注意：為方面閱讀，本圖中的溫度圖例被放大。）

　　當然，分析的目的是為了確定計劃的設計能夠將熱量從LED光源轉移，並能安全地將熱量帶到環境中。圖4，是另外一張同步CFD的視圖，對這個問題提供了重要的答案。在這張圖中，粒子示蹤的氣流路徑，像是很小的除塵器。同樣，這裡顏色代表了熱分布，不過這張圖中，顏色對應了數值。注意這個流動型態：藍（冷）空氣從下面進入，在經過光源時被加熱成藍綠色。對流將加熱的空氣往上方帶，並帶走加熱的空氣。這對燈具而言，散熱是否足夠，以及在最終設計中是否還會有其他外罩？這個問題只有設計工程師能回答，但是同步CFD分析已經提供了數據，幫助做出判斷。

圖5：MCAD模型上的表面溫度預測（點擊圖片放大）

　　圖5提供了另外一些信息。這張是圖1的實體模型中LED以及外殼整體組件的熱梯度圖。圖例提供了溫度的詳細信息。依據這些信息，容易做出判斷，比如觸摸溫度是否在安全範圍內。

　　總結

　　同步CFD仿真/分析流程如Mentor Graphics公司的FloEFD軟體，對於改善設計概念是不可或缺的。與創建實物樣品和測試樣品相比，它要便宜很多；而同步CFD中創建的自動流程意味著，第一次評估的周期準備工作簡單，而對之後每一次的仿真，操作起來則更快捷。提倡在設計完全和的確被優化後，再建立實物樣品，是一種環境走勢。同步CFD能用來快速決定鍾型外罩的最佳開槽數目，以及各槽之間金屬的厚度，從而將熱量擴散到環境的數量最大化。