LED散熱情況研究

楊駿+汪軍+翁鵬程+張敬齋

文章編號：1008-8857(2014)02-0118-04DOI:10.13259/j.cnki.eri.2014.02.013

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摘 要： 在靜態常溫空氣中的4種不同工況下對一款帶有鰭片式散熱器的LED進行了熱學測試,對所得結果進行了對比分析,得到了LED功率與其底盤焊點溫度之間的關系.在SolidWorks軟件中建立了帶有相同散熱器的9顆LED燈具模型,借助熱學仿真軟件Flow Simulation用有限元法對其進行分析計算,由結果可知:中心LED溫度最高,為64.31℃,周圍8顆LED溫度幾乎相同,其平均溫度為62.7℃,并推測了影響兩者溫差大小的因素.

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關鍵詞：

LED; 散熱器; 熱學仿真; 有限元法; 熱導率

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中圖分類號： TN 312+.8文獻標志碼： A

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Study on heatrelease conditions of LEDs

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YANG Jun, WANG Jun, WENG Pengcheng, ZHANG Jingzhai

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(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for 

Science and Technology, Shanghai 200093, China)

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Abstract： The temperature of LED with fin type heat sink was tested under 4 different working conditions in free air.The relationship between LED power and the solder temperature is acquired after test result analysis.The model of 9 LEDs with the same heat sink was set up in SolidWorks,and it was solved in Flow Simulation which is a software for thermal simulation.The center LED has the highest temperature with a value of 64.31℃.The temperatures of the other 8 LEDs around are nearly the same,and their average temperature is 62.7℃.The reason of the temperature difference is analyzed.

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Key words：

LED; heat sink; thermal simulation; finitevolume method; thermal conductivity

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目前,大功率高亮度的發光二極管(LED)因其高發光效率、低能耗而發展迅速［1］.與傳統照明的光源相比,LED具有壽命長、節能、環保、抗沖擊性好、無輻射、無電磁干擾、無有毒氣體、發光效率高且易受控制等顯著優點［2］.LED發光是由于電子在能帶間的躍遷過程中產生了光子,但是電子和空穴的無輻射復合產生晶格震蕩,將很大一部分能量轉化為熱能.目前LED的發光效率大約為20%,大量的熱量無法散發,使結溫升高,進而降低了芯片的發光效率［3］,減少了LED的壽命［4］.

1 LED燈具的基本結構

圖1為某一類型LED器件示意圖［5］.LED正常工作時,芯片所發出的熱量傳給FR-4基板,經過導熱膠傳遞給散熱器.通過散熱器將大量熱量散發到空氣中,降低芯片溫度.圖2為LED熱傳導器件的三維模型,FR-4基板上共有4顆規格完全相同的LED,分別將其命名為:LED1、LED2、LED3、LED4.圖3為市場上某一款鰭片式散熱器.

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圖1 LED器件示意圖

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Fig.1

The structure of LED component

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圖2 LED器件的三維模型



Fig.2

3D model of LED component

圖3 鰭片式散熱器



Fig.3

Fin type heat sink



2 LED散熱性能實驗

2.1 實驗過程

將LED所在FR-4基板置于圖3所示的散熱器中央,用適量導熱膠勻抹在基板下表面與散熱器上表面的結合處,以減少空氣間隙造成的熱阻.實驗共包括4種工況,均通以0.45 A的直流電流,測試環境溫度為25℃.工況1: LED1正常工作,總電壓為2.93 V,功率為1.3 W;工況2: LED1和LED2均正常工作,總電壓為5.801 V,單顆LED功率為1.3 W,LED總功率為2.6 W;工況3: LED1、LED2和LED3同時正常工作,總電壓為8.687 V,總功率為3.9 W,單顆LED功率為1.3 W;工況4: LED1、LED2、LED3和LED4都正常工作,總電壓為11.8 V,總功率為5.2 W,單顆LED功率為1.3 W.正常工作時,4顆LED為串聯.使用T型熱電偶分別測試4種工況下工作LED底盤焊點的溫度.

2.2 實驗結果分析及討論

經實驗測試得到4種工況下的LED溫度如表1所示.

由表1可知,同一工況下,串聯連接的LED由于型號規格相同,正常工作時,各顆LED的溫度幾乎相同.4種工況下工作LED的平均溫度分別為34.06、37.86、41.82、46.03℃.LED總功率與LED平均溫度的關系如圖4所示.由圖可以看出,LED總功率與LED平均溫度近似呈線性關系,工作LED的顆數越多,FR-4基板上每顆LED的溫度也越高.

表1 4種工況下的LED溫度



Tab.1

The LED temperature of 4 tests

工況總功率Pt/W單顆LED功率Ps/WLED1溫度T1/℃LED2溫度T2/℃LED3溫度T3/℃LED4溫度T4/℃平均溫度T/℃

11.31.334.0634.06

22.61.338.0137.7137.86

33.91.341.5641.9341.9641.82

45.21.345.9246.2345.5646.4146.03



3 LED的熱學仿真模擬

近年來,隨著計算機的迅速發展以及各種熱學分析軟件的興起,采用有限元法分析LED的熱分布已成為很多設計者的一種選擇.采用該方法具有成本低、可靠性高等優點.以實驗的散熱器模型為基礎,研究當LED顆數增加到9顆時,FR-4基板上LED的溫度情況,其中每顆LED的間距和工作情況均保持不變,FR-4基板的厚度也保持不變,面積相應增大.

圖4 LED總功率與LED平均溫度的關系

Fig.4

Relationship between LED power and LED average temperature



3.1 有限元法熱分析理論

三維直角坐標系中瞬態溫度場變量T(x,y,z,t)滿足



xλxxTx+yλyyTy+zλzzTz+q0=ρcdTdt(1)



式中:T/x、T/y、T/z分別為沿x、y、z方向的溫度梯度;λxx、λyy、λzz分別為x、y、z方向的熱導率;q0為單位體積所生成的熱量;ρ、c分別代表密度和比熱容;dT/dt為溫度隨時間的變化率.



dTdt=Tt+VxTx+VyTy+VzTz(2)



式中:Vx、Vy、Vz分別為x、y、z方向的媒介傳導速率.

當進行穩態情況的分析時,T/t=0,式(1)可以簡化為



xλxxTx+yλyyTy+zλzzTz+q0=0(3)



根據式(3)、邊界條件以及初始條件,利用迭代法或者消去法求解,可得出熱分析的結果［6］.

3.2 有限元模型的建立

在SolidWorks中建立LED燈具的幾何模型,如圖5所示.仿真模型假設:每顆LED的輸入功率為1.3 W,發光效率為20%,鰭片式散熱器的熱導率為210 W?m-1?K-1,環境溫度為25℃.使用Flow Simulation軟件對其進行熱學分析.



圖5 9顆LED燈具的幾何模型

Fig.5

Geometric model of a lamp with 9 LEDs



3.3 仿真結果及分析

通過計算,FR-4基板上LED的溫度如圖6所示,與表1中實驗結果相比,仿真計算所得的9顆LED工作時的溫度要比實驗中4顆LED工作時所測得的溫度高了近18℃.仿真結果顯示,中心LED的溫度略高于周圍8顆LED的溫度,其溫度為64.31℃.從圖6中的溫度云圖可以看出,造成這一現象的原因是周圍8顆LED發熱與溫升都影響了中心LED的換熱.周圍8顆LED溫度幾乎相同,平均溫度為62.7℃,比中心LED低1.61℃,相差不多.因此,可推測溫差的大小與LED的間距和LED本身的功率兩者有關.



圖6 9顆LED燈具的熱學仿真結果

Fig.6

The thermal simulation result of 

the lamp with 9 LEDs



4 結 語

通過實驗,針對LED在同一款鰭片式散熱器上的4種工況進行了溫度測試.通過改變FR-4基板上工作LED的顆數,對比不同工況下所得的測試結果,得到了LED溫度和LED總功率近似呈線性關系的規律.此外,在SolidWorks軟件中建立了該散熱器承載9顆LED及FR-4基板的燈具模型,使用Flow simulation熱學分析軟件計算得到了每顆LED的溫度情況,并分析了造成此結果的原因.有限元熱分析方法的使用對于燈具的設計有著重大作用,其具有一定的可靠性,能夠有效地降低成本,減少產品的設計周期.

參考文獻:

［1］ HELIOTIS G,STAVRINOUS P N,BRADLEY D D

C,et al.Spectral conversion of InGan ultraviolet microarray lightemitting diodes using fluorinebased red,green,blue,and whitelightemitting polymer overlayer films［J］.APL,2005,87(10):130505.

［2］ 謝仁富,張彥敏,朱俊.船用大功率LED燈散熱性能研究［J］.艦船科學技術,2011,33(8):169-172.

［3］ 費翔,錢可元,羅毅.大功率LED結溫測量及發光特性研究［J］.光電子?激光,2008,19(3):289-299.

［4］ BARTON D L,OSINSKI M,PERLIN P,et al.Singlequantum well InGaN green light emitting diodes under high electrical stress［J］.Microelectronics and Reliability,1999,39(8):1219-1227.

［5］ 褚旭昭,丁同言,楊潔翔,等.LED散熱器散熱性能優化分析［J］.照明工程學報,2012,23(1):62-65.

［6］ 王靜,吳福根.改善大功率LED散熱的關鍵問題［J］.電子設計工程,2009,17(4):123-125.

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圖4 LED總功率與LED平均溫度的關系

Fig.4

Relationship between LED power and LED average temperature

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3.1 有限元法熱分析理論

三維直角坐標系中瞬態溫度場變量T(x,y,z,t)滿足



xλxxTx+yλyyTy+zλzzTz+q0=ρcdTdt(1)



式中:T/x、T/y、T/z分別為沿x、y、z方向的溫度梯度;λxx、λyy、λzz分別為x、y、z方向的熱導率;q0為單位體積所生成的熱量;ρ、c分別代表密度和比熱容;dT/dt為溫度隨時間的變化率.



dTdt=Tt+VxTx+VyTy+VzTz(2)



式中:Vx、Vy、Vz分別為x、y、z方向的媒介傳導速率.

當進行穩態情況的分析時,T/t=0,式(1)可以簡化為



xλxxTx+yλyyTy+zλzzTz+q0=0(3)



根據式(3)、邊界條件以及初始條件,利用迭代法或者消去法求解,可得出熱分析的結果［6］.

3.2 有限元模型的建立

在SolidWorks中建立LED燈具的幾何模型,如圖5所示.仿真模型假設:每顆LED的輸入功率為1.3 W,發光效率為20%,鰭片式散熱器的熱導率為210 W?m-1?K-1,環境溫度為25℃.使用Flow Simulation軟件對其進行熱學分析.

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圖5 9顆LED燈具的幾何模型

Fig.5

Geometric model of a lamp with 9 LEDs

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3.3 仿真結果及分析

通過計算,FR-4基板上LED的溫度如圖6所示,與表1中實驗結果相比,仿真計算所得的9顆LED工作時的溫度要比實驗中4顆LED工作時所測得的溫度高了近18℃.仿真結果顯示,中心LED的溫度略高于周圍8顆LED的溫度,其溫度為64.31℃.從圖6中的溫度云圖可以看出,造成這一現象的原因是周圍8顆LED發熱與溫升都影響了中心LED的換熱.周圍8顆LED溫度幾乎相同,平均溫度為62.7℃,比中心LED低1.61℃,相差不多.因此,可推測溫差的大小與LED的間距和LED本身的功率兩者有關.

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圖6 9顆LED燈具的熱學仿真結果

Fig.6

The thermal simulation result of 

the lamp with 9 LEDs

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4 結 語

通過實驗,針對LED在同一款鰭片式散熱器上的4種工況進行了溫度測試.通過改變FR-4基板上工作LED的顆數,對比不同工況下所得的測試結果,得到了LED溫度和LED總功率近似呈線性關系的規律.此外,在SolidWorks軟件中建立了該散熱器承載9顆LED及FR-4基板的燈具模型,使用Flow simulation熱學分析軟件計算得到了每顆LED的溫度情況,并分析了造成此結果的原因.有限元熱分析方法的使用對于燈具的設計有著重大作用,其具有一定的可靠性,能夠有效地降低成本,減少產品的設計周期.

參考文獻:

［1］ HELIOTIS G,STAVRINOUS P N,BRADLEY D D

C,et al.Spectral conversion of InGan ultraviolet microarray lightemitting diodes using fluorinebased red,green,blue,and whitelightemitting polymer overlayer films［J］.APL,2005,87(10):130505.

［2］ 謝仁富,張彥敏,朱俊.船用大功率LED燈散熱性能研究［J］.艦船科學技術,2011,33(8):169-172.

［3］ 費翔,錢可元,羅毅.大功率LED結溫測量及發光特性研究［J］.光電子?激光,2008,19(3):289-299.

［4］ BARTON D L,OSINSKI M,PERLIN P,et al.Singlequantum well InGaN green light emitting diodes under high electrical stress［J］.Microelectronics and Reliability,1999,39(8):1219-1227.

［5］ 褚旭昭,丁同言,楊潔翔,等.LED散熱器散熱性能優化分析［J］.照明工程學報,2012,23(1):62-65.

［6］ 王靜,吳福根.改善大功率LED散熱的關鍵問題［J］.電子設計工程,2009,17(4):123-125.

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圖4 LED總功率與LED平均溫度的關系

Fig.4

Relationship between LED power and LED average temperature

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3.1 有限元法熱分析理論

三維直角坐標系中瞬態溫度場變量T(x,y,z,t)滿足

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xλxxTx+yλyyTy+zλzzTz+q0=ρcdTdt(1)

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式中:T/x、T/y、T/z分別為沿x、y、z方向的溫度梯度;λxx、λyy、λzz分別為x、y、z方向的熱導率;q0為單位體積所生成的熱量;ρ、c分別代表密度和比熱容;dT/dt為溫度隨時間的變化率.

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dTdt=Tt+VxTx+VyTy+VzTz(2)

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式中:Vx、Vy、Vz分別為x、y、z方向的媒介傳導速率.

當進行穩態情況的分析時,T/t=0,式(1)可以簡化為

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xλxxTx+yλyyTy+zλzzTz+q0=0(3)

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根據式(3)、邊界條件以及初始條件,利用迭代法或者消去法求解,可得出熱分析的結果［6］.

3.2 有限元模型的建立

在SolidWorks中建立LED燈具的幾何模型,如圖5所示.仿真模型假設:每顆LED的輸入功率為1.3 W,發光效率為20%,鰭片式散熱器的熱導率為210 W?m-1?K-1,環境溫度為25℃.使用Flow Simulation軟件對其進行熱學分析.

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圖5 9顆LED燈具的幾何模型

Fig.5

Geometric model of a lamp with 9 LEDs

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3.3 仿真結果及分析

通過計算,FR-4基板上LED的溫度如圖6所示,與表1中實驗結果相比,仿真計算所得的9顆LED工作時的溫度要比實驗中4顆LED工作時所測得的溫度高了近18℃.仿真結果顯示,中心LED的溫度略高于周圍8顆LED的溫度,其溫度為64.31℃.從圖6中的溫度云圖可以看出,造成這一現象的原因是周圍8顆LED發熱與溫升都影響了中心LED的換熱.周圍8顆LED溫度幾乎相同,平均溫度為62.7℃,比中心LED低1.61℃,相差不多.因此,可推測溫差的大小與LED的間距和LED本身的功率兩者有關.

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圖6 9顆LED燈具的熱學仿真結果

Fig.6

The thermal simulation result of 

the lamp with 9 LEDs

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4 結 語

通過實驗,針對LED在同一款鰭片式散熱器上的4種工況進行了溫度測試.通過改變FR-4基板上工作LED的顆數,對比不同工況下所得的測試結果,得到了LED溫度和LED總功率近似呈線性關系的規律.此外,在SolidWorks軟件中建立了該散熱器承載9顆LED及FR-4基板的燈具模型,使用Flow simulation熱學分析軟件計算得到了每顆LED的溫度情況,并分析了造成此結果的原因.有限元熱分析方法的使用對于燈具的設計有著重大作用,其具有一定的可靠性,能夠有效地降低成本,減少產品的設計周期.

參考文獻:

［1］ HELIOTIS G,STAVRINOUS P N,BRADLEY D D

C,et al.Spectral conversion of InGan ultraviolet microarray lightemitting diodes using fluorinebased red,green,blue,and whitelightemitting polymer overlayer films［J］.APL,2005,87(10):130505.

［2］ 謝仁富,張彥敏,朱俊.船用大功率LED燈散熱性能研究［J］.艦船科學技術,2011,33(8):169-172.

［3］ 費翔,錢可元,羅毅.大功率LED結溫測量及發光特性研究［J］.光電子?激光,2008,19(3):289-299.

［4］ BARTON D L,OSINSKI M,PERLIN P,et al.Singlequantum well InGaN green light emitting diodes under high electrical stress［J］.Microelectronics and Reliability,1999,39(8):1219-1227.

［5］ 褚旭昭,丁同言,楊潔翔,等.LED散熱器散熱性能優化分析［J］.照明工程學報,2012,23(1):62-65.

［6］ 王靜,吳福根.改善大功率LED散熱的關鍵問題［J］.電子設計工程,2009,17(4):123-125.

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