LED照明設(shè)計(jì)的散熱問題與熱模擬解析

近年來，LED照明市場呈現(xiàn)爆炸性增長，這是由于受到多個(gè)因素的驅(qū)動(dòng)，其中綠色立法和環(huán)境問題是最重要的因素。LED比傳統(tǒng)光源（如白熾燈）效率高得多，比熒光燈更環(huán)保，不含汞，并且可以調(diào)整顏色和亮度。因此，LED用途很廣泛，可用于專業(yè)、工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用。但是，固態(tài)照明產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的多學(xué)科問題。在這里，我們將重點(diǎn)討論散熱問題，以及熱模擬如何幫助開發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出可靠的、符合外形尺寸和性能的產(chǎn)品（圖1）。

圖1. 熱模擬A燈以及成品 （圖片來源：Future Facilities Limited）

事實(shí)上，LED燈的使用壽命（通常在25000-50000小時(shí)之間）并不能完全實(shí)現(xiàn)，固態(tài)照明產(chǎn)品性能有時(shí)會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化。性能（光輸出的質(zhì)量和數(shù)量、使用壽命、顏色維持和其他參數(shù)）與燈具或替換燈內(nèi)的溫度密切相關(guān)。對(duì)于給定的環(huán)境，燈具的設(shè)計(jì)如何有效地消散內(nèi)部產(chǎn)生的熱量與溫度直接相關(guān)。

1 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

另外兩個(gè)相關(guān)因素也影響了LED照明的長期可靠性：用于LED驅(qū)動(dòng)電路儲(chǔ)能的鋁電解電容器，以及市場需求驅(qū)動(dòng)照明制造商創(chuàng)造更加緊湊的燈具。

除了機(jī)電部件如風(fēng)扇之外，鋁電解電容器在許多電子電路中會(huì)限制使用壽命。電容器是電化學(xué)裝置，在正常操作期間，濕電解質(zhì)逐漸用于重新形成氧化鋁介電層。 電容器最終會(huì)變干，并造成災(zāi)難性的后果。在高溫下，這個(gè)過程會(huì)加速。

在專業(yè)應(yīng)用中，比如娛樂照明，就需要較小的照明裝置，這樣運(yùn)輸和操作時(shí)更容易，在使用中也不那么突兀。在改造應(yīng)用中，從路燈到家用筒燈，都需要將尺寸和形狀保持在老式照明技術(shù)所定義的范圍內(nèi)。在定向照明的情況下，通常要包括在燈具內(nèi)裝上電子驅(qū)動(dòng)器電路、以及LED發(fā)射器模塊和透鏡。

2 適配驅(qū)動(dòng)電路

LED驅(qū)動(dòng)器電路需要將交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為低直流電壓來驅(qū)動(dòng)LED，并確保以有效方式達(dá)到最大輸出。盡管效率很高，LED芯片也會(huì)產(chǎn)生熱量；驅(qū)動(dòng)電路中的元器件，特別是功率晶體管也會(huì)產(chǎn)生熱量。如果將所有發(fā)熱部件放置在狹小的空間中，以滿足物理設(shè)計(jì)的限制，那么變熱會(huì)很快，甚至超過LED結(jié)可承受的最高100°C。

LED燈具設(shè)計(jì)師所面臨的挑戰(zhàn)是如何將所有這些東西都放在可用的空間中，同時(shí)確保成品內(nèi)部和外部關(guān)鍵點(diǎn)的溫度保持在可接受的范圍內(nèi)。這時(shí)候，熱模擬就能起到作用，特別是在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中。圖2示出了在熱模擬下有良好散熱的芯片模塊范例。

圖2. 熱模擬表明，這些芯片模塊顯示出良好的熱管理特性。（圖片來源：Future Facilities Limited）

3 熱模擬的好處

以往，大部分設(shè)計(jì)和開發(fā)工作都是基于使用“經(jīng)驗(yàn)法則”從熱學(xué)角度計(jì)算一個(gè)特定組件、印刷電路板（PCB）或完整組件可能的表現(xiàn)。由于任何電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程都是迭代的，所以在整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程中必須重復(fù)計(jì)算。在每個(gè)階段，都需要糾正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，甚至可能會(huì)漏掉熱點(diǎn)。每一項(xiàng)變更都會(huì)增加項(xiàng)目的時(shí)間和費(fèi)用，增加在市場中失去時(shí)機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

而且，這種方法的精度相對(duì)較差，設(shè)計(jì)人員不得不過度設(shè)計(jì)散熱管理。舉例來說，這可能意味著使用更大的散熱片，增加成品的尺寸和成本，甚至可能意味著在不需要風(fēng)扇的情況下使用風(fēng)扇，大大降低成品的“平均故障間隔時(shí)間”（MTBF）。 更可怕的是，成品生產(chǎn)出來之后，出現(xiàn)熱問題，繼而出現(xiàn)保修索賠、產(chǎn)品更換、品牌聲譽(yù)受損等。

因此，熱管理使工程師能夠設(shè)計(jì)更小、更經(jīng)濟(jì)、性能更好、壽命更長的產(chǎn)品。熱模擬讓迭代設(shè)計(jì)更快，可以嘗試多種散熱管理的選擇，并最終縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

3 在開發(fā)過程中模擬

在設(shè)計(jì)過程中，越早進(jìn)行熱模擬，越能降低需要進(jìn)行重大設(shè)計(jì)變更以克服可能出現(xiàn)的熱問題的風(fēng)險(xiǎn)。在整個(gè)項(xiàng)目中，電子、機(jī)械和熱工程師需要協(xié)同工作，以確保在設(shè)計(jì)過程中考慮到熱模擬的結(jié)果，并充分認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)變更對(duì)熱性能的影響。 圖3描述了具有不同學(xué)科背景的團(tuán)隊(duì)成員之間的互動(dòng)。

圖3. 為了讓熱模擬有價(jià)值，各工程師需要協(xié)同工作。（圖片來源：Future Facilities Limited）

在開始的時(shí)候，一個(gè)非常簡單的概念模型 - 其中所有的電子元件表示為一個(gè)集中的熱塊 - 可以用來確定是否有可能在規(guī)格的限制內(nèi)使照明燈具冷卻（圖4）。 產(chǎn)品的總功耗、尺寸、散熱器的尺寸以及風(fēng)扇的氣流（如果要使用的話）代表了現(xiàn)階段所有可用的信息。

圖4. （圖片來源：Future Facilities Limited）

在下一階段，當(dāng)初步產(chǎn)品設(shè)計(jì)已經(jīng)建立時(shí)，熱建模工具需要以下信息：

? 組件的詳細(xì)信息及其在PCB上的位置? 最重要組件的估計(jì)消耗? 照明燈具外殼的大小輪廓

運(yùn)行模擬之后，溫度曲線會(huì)突出顯示組件可能超出其最大允許工作溫度的位置。

5 輸入數(shù)據(jù)影響結(jié)果

輸入數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確，模擬就越準(zhǔn)確。初步模擬的結(jié)果可以引導(dǎo)PCB設(shè)計(jì)者和機(jī)械工程師朝可能有利于燈具熱性能的方面做出改變。隨著設(shè)計(jì)的發(fā)展，這個(gè)過程再次重復(fù)。

在生產(chǎn)原型之前，應(yīng)該再次模擬此前提出的最終設(shè)計(jì)。為了確保模擬的結(jié)果是準(zhǔn)確的，需要更詳細(xì)的信息。 這包括：

? 燈具中元件的熱模型，這可以從元件制造商那里獲得? LED燈具外殼的3D CAD模型，這可以以各種行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)格式導(dǎo)入到模擬工具中

?EDA軟件的PCB設(shè)計(jì)，這些可以使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)格式（如IDF和IDX）導(dǎo)入?PCB層內(nèi)微量元素銅的細(xì)節(jié)

?燈具中所用材料的特性的信息?根據(jù)工程計(jì)算，燈具內(nèi)部器件功耗的最新數(shù)據(jù)

一旦原型完成，開發(fā)團(tuán)隊(duì)通過測量物理溫度驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性。在評(píng)估這些數(shù)據(jù)時(shí)，重要的是要考慮所使用測量設(shè)備的精度限制。這些可能是熱電偶、芯片上的傳感器或紅外傳感器，具體取決于應(yīng)用。

6 熱模擬的準(zhǔn)確性

Optimal Thermal Solutions BV的熱設(shè)計(jì)專家Norbert Engelberts使用熱模擬工具，開展了一系列LED的照明項(xiàng)目。第一個(gè)是為歐洲市場設(shè)計(jì)一款LED燈替代60W白熾E27型A型燈。設(shè)計(jì)目標(biāo)是用對(duì)流冷卻實(shí)現(xiàn)盡可能低的散熱片溫度，從而最大限度地延長燈泡的使用壽命。隨著溫度的升高，運(yùn)行壽命降低。使用熱建模來優(yōu)化散熱器設(shè)計(jì)，并且在評(píng)估最終產(chǎn)品時(shí)，發(fā)現(xiàn)模擬精確到測量溫度的5％以內(nèi)。

設(shè)計(jì)筒燈時(shí)也出現(xiàn)了同樣的精度。設(shè)計(jì)目標(biāo)是確定可以使用的最小的散熱片，同時(shí)確保LED結(jié)溫保持在100°C的極限內(nèi)。測量溫度和模擬溫度之間的總體差異僅為4.6％。

Engelberts在路燈的開發(fā)中也使用了熱模型。這里面臨的挑戰(zhàn)是確保IP66密封外殼內(nèi)的有效熱管理，其尺寸和形狀取決于要被替換的傳統(tǒng)燈泡的尺寸和形狀。 燈的重量是一個(gè)關(guān)鍵問題，所以散熱器需要保持在最小的尺寸，而又不會(huì)影響產(chǎn)品的使用壽命。從最初的設(shè)計(jì)到最后的設(shè)計(jì)，燈內(nèi)各點(diǎn)的平均溫度降低了19％，有些點(diǎn)降低了35％。最終產(chǎn)品僅比傳統(tǒng)燈具重13％，但更可靠、更節(jié)能。

編譯 | James