摘要 采用等效电路的热阻法计算了大功率LED照明器的热阻,并估算了散热器的面积,然后利用Icepak软件进行建模分析。通过改变散热器翅片的高度、类型及散热器的面积,比较模拟软件计算后的温度分布与原始温度,分析得出翅片在增加高度时改变散热性能最为明显,为大功率LED照明器的热设计提供了参考。
关键词 Icepak软件;热阻;大功率LED照明器;散热仿真
1 引 言
白光LED作为新一代绿色环保型固体照明光源,已经成为人们关注的焦点[1]。与传统的白炽灯和荧光灯相比,它具有亮度高、能耗低、寿命长、方向性好、响应快、无辐射、环保等优点。目前单颗LED的输出光通量较低,对于一般照明,需要将LED集成于一个模组以达到所需的亮度。但LED的光电转换效率极差,只有10%～20%的电能转化为光输出,其余的转化为热能。因此,当使用多颗LED组装成一个模组,极差的转换效率将会带来散热问题,热量使大功率LED的温度上升,从而导致工作电压减小,光强减小,光波长变长,严重缩短LED的寿命,加速其光衰等[2]。为了使LED能正常工作,必须对LED的热场分布进行分析研究,本文将用Icepak软件对自行设计的大功率LED进行建模,仿真分析,保证大功率LED在允许的温度范围内工作。
2 大功率LED的散热分析
LED芯片的散热方式主要是传导和对流[3]。按照目前发光管管芯材料的耐温水平,通常结温不能大于125℃(K2系列产品的结温已达到150℃)[4]。结温Tj是衡量LED封装散热性能的一个重要指标[5]。结温的表达式为Tj=Rja×Pd+Ta(1)
其中,Pd为耗散的功率,Rja为LED器件PN结与环境温度的总热阻,Tj,Ta分别为LED器件PN结的结点温度和器件周围的环境温度。式(1)表明,在同样大小的功率下,芯片结温升温越小,LED器件的性能越好。
2.1 热阻Rba的评估计算
对于单个LED,设定PN结点生成的热沿着以下简化的热路径传导:结点→热沉→铝基散热电路板→空气/环境,如图1所示。
采用等效电路的热阻法进行计算[5],PN结点到环境的总热阻:
Rja=Rjs+Rsb+Rba(2)
其中,Rjs,Rsb,rba分别是从结点到热沉,热沉到散热电路板,散热电路板到空气/环境的热阻。设环境温度为50℃,本文设计的是由50个LED组成的大功率LED照明器,总功率为50W,根据式(1),可得Rja=Tj-TaPd=80-5050=0.6℃/W,类型为LUXEONK2withTFFC的热阻可达到5.5℃/W,本文选择热阻为8℃/W的LED,即Rjb=8℃/W,根据式(2),可得:Rba=Rja-Rjbn=0.6-850=0.44℃/W,而传导热阻Rba为0.44℃/W的散热器是可以满足的。
2.2 铝散热器的面积估算
在铝散热器与空气对流时,散热器的形状和位置不同,散热效果则不同[6]。使流体沿着肋片的表面流过,此时的散热效果最好。此时的热传递系数为
h=1.49Δtd0.25(3)
设定翅片的基座高为78mm,翅片的高为45mm,散热器的温度不超过70℃,外部环境温度为50℃,根据式(3)得:h=1.49Δtd0.25=1.49×70-500.1230.25=5.32W/℃?m2
装有翅片的传热过程的公式[7]为
Q=h总A?Δt=Δt?A1δλ+1hηtβ=ΔtR(4)R=δλ+1hηtβ/A1(5)
其中,λ是铝的热导率,查表得200W/℃?m,δ是散热器肋基的厚度设为78mm,β=A2/A1(一般大于10,本文设β=9)是A2散热肋片总的面积的和与A1散热肋基的面积的比值,由等截面矩形肋散热效率计算公式求得:η=92.86%,R为传热热阻。由式(5),得到A1=520.03cm2,由式(4),可求得:Δt=QR=500.44=22℃,即ts=Δt+50=72℃。
因为散热器温度不能大于70℃,而以上计算的值超过了允许的范围,所以要调整散热器的大小,可以增大散热器肋基的面积,调整后设定散热器肋基的面积为296mm×226mm。
3 Icepak软件的仿真和分析
3.1 Icepak软件建模与仿真
本文所设计的大功率LED照明器是由50个LED组成的模组,每个芯片的功率为1W,那么照明器总的发热功率为50W。散热器的尺寸如表1所示。
设定外部环境温度为50℃,用Icepak软件进行仿真,分析其稳态条件下的温度分布图。首先建立模型,将照明器转化为Icepak软件认可的模型,即将LED芯片等效为热源,每个热源的功率设为1W,将热源贴在散热器上,对于对热分析影响不大的细节可以简化,这样可提高运算速度。建模之后划分网格,最后进行求解计算,得出温度分布图,如图2所示,最高温度出现在热源Tmax=70.76℃。
选定热源的最大值为优化目标,比较优化前后几何参数的变化及对热源的影响。
3.2 改变参数与结果分析
1)散热器翅片高度的影响
在分析过程中,只改变翅片的高度,保持其他几何参数和环境条件均不变,仿真后得出散热器的高度与热源最高温度如表2所示。
从表中数据可以看出,翅片高度的改变对散热器有很大的影响,一般增加散热器的高度,器件的热量更容易通过翅片散至周围空间。一般翅片的高度加倍,则散热能力为原来的1.4倍(影响功率器件散热器散热性能的几何因素分析)。但是过分地增加翅片的高度会增大器件的体积,不符合现在电子器件体积小,重量轻的要求。因此,在优化时应该权衡考虑。
2)散热器类型的影响
原始散热器使用的是挤压式散热器,在保证其他几何参数和外部环境不变的情况下,分别用柱状针式散热器和联结式散热器,用Icepak软件优化结果如表3所示。
从表中数据可以看出,改变散热器翅片的类型可以改变结温,但是温度变化不是很大,而且柱状针式散热器结构比较复杂,加工不如挤压式散热器简单。
3)散热器面积的影响
在保证外部环境不变的情况下,改变散热器的面积,这样芯片的间距也会变大,不改变芯片的间距,观察此时芯片温度的变化,如表4所示。
通过数据比较可知,改变散热器翅片的形状以及散热器面积不如改变散热器翅片的高度对芯片结温的影响明显。适当增加高度改变散热器的热效果,但从体积、重量的角度考虑要合理设计,得到最佳的散热效果。
4 结 论
本文先用等效电路的热阻分析法,选取合适的简化模型计算其热阻,再根据热阻与散热器面积、形状等关系设计尺寸。利用Icepak软件进行建模、仿真,模拟芯片工作时的温度分布,改变散热器的几何参数,比较分析后得出翅片在增加高度时改变散热性能最明显。Icepak软件建模简单,模拟LED芯片工作时热传导的传递路径,其求解数据能为LED的散热设计提供参考依据。