LED筒燈散熱仿真及光源布局優化研究

LED用於照明存在一個共性的應用難題——散熱，目前的LED僅有20%～30%的光電轉換效率，其餘的能量轉化為熱量。若燈具LED晶片中的熱量不能有效散發，會使LED晶片PN結溫度過高，導致發光效率降低、晶片發射光譜發生紅移、色溫質量下降、螢光粉的轉換效率降低[1]，工作壽命下降甚至可使LED永久失效等問題[2]。當前LED燈具散熱方案分為被動散熱和主動散熱，被動散熱方案如自然散熱、熱管技術、均溫板技術、迴路熱管技術[3]；主動散熱如風冷散熱、微通道熱沉散熱、半導體製冷散熱[4]等。這些散熱方案結構相對較大，在道路照明如LED路燈、LED隧道燈等較大的燈具上可作為有效的方法，但LED筒燈由於其體積大小、外觀要求、工作環境的限制影響，更多的還是採用自然散熱。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/325747.htm

　　LED筒燈採用LED作為光源，其結構是在傳統筒燈結構基礎上進行改進。LED筒燈具備傳統筒燈的特點，同時兼有了LED的所有優點：節能、低碳、長壽、顯色性好、響應速度快等[5]。LED筒燈的設計更加的美觀輕巧，安裝時能達到保持建築裝飾的整體統一與完美，不破壞燈具的設置，光源隱藏建築裝飾內部，光源不外露。LED筒燈通常採用COB、陣列大功率LED(1W以上)、陣列中小功率LED(0.5W及以下)等幾種光源形式，其中陣列中小功率LED光源的光學效果最好，人的視覺效果柔和、均勻，目前大部分LED筒燈都採用這種光源形式。

　　利用有限元CFD仿真軟體可以全面分析LED燈具的熱傳導、熱對流及熱輻射，分析求解LED燈具內外的溫度場和流場等，適用於目前LED照明燈具散熱模擬仿真。白坤等[6]對一種3芯白光LED筒燈進行有限元散熱模擬，分析了襯底、錫膏、銅箔、鋁基板等熱通道材料的橫向熱阻和縱向熱阻，並提出一種利用銅柱連接外部散熱器的快速熱通道優化設計；馬湘君等[7]利用有限元方法分析計算了15WLED筒燈溫度場，進一步分析了PCB導熱率、導熱膠導熱率和晶片位置(相對於鰭片式散熱器)等對LED燈具散熱效果的影響。本文將從筒燈主要熱源處———LED光源的布局分析它對LED筒燈散熱的影響，採用散熱模擬仿真與實驗測量相結合的方法進行研究，並將研究結果應用於LED筒燈產品改進設計中。

　　LED筒燈散熱建模及仿真

　　本次研究選用一款8寸25WLED筒燈作為主要研究對象，其實物如圖1所示，三維造型模型圖如圖2所示。

　圖1 LED筒燈實物圖

　圖2 LED筒燈三維模型

　　1.熱阻計算

　　熱阻(Rth)是指熱量在熱通道上遇到的阻力，公式定義為熱通道的溫差(ΔT)與熱通道上的耗散功率(P)之比[8]，見式(1)；也可通過材料導熱係數(K)來計算[9]，見式(2)。

　　(公式1)

　　(公式2)

　　式中L———表示熱通道路徑的長度；

　　A———表示熱通道有效橫截面積。

　　熱阻可分為導熱熱阻和接觸熱阻。當熱量在同一物體內部以熱傳導的方式傳遞時，遇到的熱阻稱為導熱熱阻。當熱量流過兩個相接觸的固體的交界面時，界面本身對熱流呈現出明顯的熱阻，稱為接觸熱阻；產生接觸熱阻的主要原因是，任何外表上看來接觸良好的兩物體，直接接觸的實際面積只是交界面的一部分，其餘部分都是縫隙，熱量依靠縫隙內氣體的熱傳導和熱輻射進行傳遞，而它們的傳熱能力遠不及一般的固體材料。表1列出部分常用材料的導熱係數。

　　表1 常用散熱材料導熱係數

　　對於部分熱通道材料層因其厚度很小，在建模過程中可不體現出來，而採用等效面接觸熱阻替代，便於散熱建模CFD仿真分析。例如：

　　①採用回流焊工藝將LED光源焊接到鋁基板上，LED光源燈珠與鋁基板間設置接觸熱阻。回流焊層為主要材料成分為錫(96%)，厚度一般為0.1～0.15mm，導熱係數為60W/(K·m)。

　　②如圖3所示，鋁基板由導電層、導熱絕緣層和金屬基層構成，導電層厚度微小、導熱率好，因此可忽略不計；主要熱阻由導熱絕緣層決定，導熱絕緣層厚度小、導熱率差，而金屬基層厚度大、導熱好，若二者按同一材料體設置，仿真結果將會出現較大偏差。

　圖3 鋁基板結構示意圖

　　鋁基板絕緣層與回流焊錫層的熱阻進行換算成一等效熱阻

　　，計算公式如下：

　　(公式3)

　　進一步，

　　可用等效導熱係數

　　來表示，而

　　可按下式計算：

　　(公式4)

　　式中ri———各熱通道層材料導熱係數；

　　hi———各通道厚度。

　　文中燈具採用貝格斯鋁基板(絕緣層厚度0.076mm、導熱係數1W/(K·m))，則等效導熱係數r等效為2.88W/(K·m)厚度0.226mm。

　　3)鋁基板通過導熱矽脂或矽膠墊片與散熱器連接，此通道層設置成面接觸熱阻，厚度為0.5mm、導熱係數為1.5W/(K·m)即可。

　　2.熱載荷

　　當前照明用LED的光電轉換效率ηLED約30%，亦即70%左右的LED輸入功率PLED轉換成熱量，則LED發熱量QLED為

　　(公式5)

　　熱載荷計算是散熱仿真過程中的重要一環，LED燈具的熱載荷主要分布在兩個區域：光源LED和電源。25WLED筒燈熱載荷17.5W，熱源有兩種表現形式：體熱源和面熱源。兩種形式的熱源對於CFD散熱仿真分析差別並不是很大，如圖4所示。

　圖4 熱源載荷設置

　　3.材料表面熱輻射係數的設定

　　不同材料的熱輻射係數是不相同的，即使是同種材料不同表面處理工藝，其熱輻射係數也不盡相同[10]，因此在CFD散熱仿真時，必須明確材料及其表面處理情況。圖5給出的是同一燈具，不同散熱器表面輻射係數(旋壓鋁AL10600.65；AL10600.85)的散熱仿真結果比較。觀察圖5中散熱器多點仿真溫度值和最高溫度值可以發現，輻射係數的差異最終會影響到整個LED燈具溫度場分布情況。

　圖5 輻射係數實驗

　　散熱模擬仿真建模

　　1.實驗室測試

　　本次實驗選用25WLED筒燈進行實驗室測量，實驗室測量設備採用8通道測溫儀TP700，搭建的LED燈具實驗室溫度測量平臺如圖6所示，測量環境為無人走動恆溫密閉實驗房間。測量點位置如圖7所示，並與25W散熱模擬仿真結果(如圖8所示)進行比較，從表2中可知，仿真結果較為準確，與實驗室測量誤差在3℃以內。因此，本次的仿真數據得到的理論溫度數據與實際溫度數據較為接近，可作為參考作用。

圖6 實驗室測量平臺

圖725W筒燈光源板溫度測量點位置

圖825W筒燈仿真分析結果

　　2.現有25WLED筒燈光源板熱仿真分析

　　25W8寸LED筒燈採用60顆5630LED布置的光源方案，燈具所使用的材料及其導熱係數見表2。

　表2 25WLED筒燈燈具材料及其導熱係數

　環境溫度設置為26.7°C，仿真結果如圖8所示。

　　3.實驗室測量與仿真試驗數據分析

　　從表3中數據可以發現，測量點②～⑥實測溫度與仿真溫度比較接近(基本在2%誤差範圍內)，仿真實驗方法準確可信，後續將採用同樣的參數和邊界條件進行優化仿真分析實驗。對比分析測量點①的實測溫度高於仿真溫度約5℃，經過分析，這是由於在樣品製造生產過程中其工藝、裝配以及後續的測量影響因素造成的，但可以分析出測量點①所處的最內環LED溫度明顯高於最外環。所以，以這一光源板布局來看，雖然其LED工作溫度還處於比較理想的範圍內，但造成整個光源板的LED工作溫度不均，最終會導致最內環LED壽命最短，影響光源板整體壽命。因此，綜合實驗測量及仿真結果，將對光源板布局進行優化設計，實現光源板整體LED工作溫度降低，提高光源板整體壽命。

　　表3 實驗室測量與仿真溫度對比(室溫26.7℃)

　　光源布局優化設計

　　光源布局優化要兼顧到散熱、電學、機械結構、光學和生產工藝等多個方面。由於受光源鋁基板尺寸限制，若仍然採用4環，光源布局並無多大可優化空間。因此，本次光源布局優化將從原先4環LED布局，調整為3環LED布局。根據功率設置、光源板設計空間和光學要求，調整LED數量及LED排布間距，通過熱仿真軟體分析，確定最佳布局方案。