基于熱仿真的工業用光源壽命設計與分析

史小星

（凌云光技術股份有限公司， 北京 100094）

0 引言

對于將LED 做為主發光元件的工業光源來說，其壽命主要取決于LED 的壽命。 而LED 的壽命又與其本身的溫度關系最為緊密。 以某品牌LED 為例，同一LED 顆粒，低溫環境與高溫環境對比，壽命可以有近20 倍的差距。 所以，如果想最大限度延長光源的壽命，在條件允許的前提下，對LED 顆粒進行最大限度的散熱，使得光源顆粒的溫度達到理想溫度以下， 將是獲得理想壽命的最直接有效的途徑。本文以某公司的線性光源為例，介紹了一種通過熱仿真進行光源散熱設計的方法。

1 線性光源描述

某公司線性光源外形、截面形狀、模組板形式見圖1。

圖1 光源信息

光源由LED 顆粒、模組板、散熱片、風扇及外圍結構件組成。

LED 顆粒產生的熱量主要經由模組板、散熱硅脂、散熱片傳導出來， 然后經過空氣與散熱片對流將熱量帶走，繼而降低顆粒溫度。為了加大散熱片與周圍空氣的熱量交換，在散熱片中加入高轉速、大風壓的直流風扇，幫助散熱。

2 LED 散熱的三種方式

顆粒發出來的熱，主要經過傳導、對流、輻射三種熱傳輸方式傳送到空氣中。

2.1 傳導

LED 的核心是PN 結，將PN 結經由高溫環氧樹脂和基板封裝在一起， 就是我們看到的LED 顆粒，見圖2。

圖2 LED 顆粒

由于高溫環氧樹脂的熱阻較大，PN 結發出的熱量主要通過基板與模組板焊接或者粘接接觸將熱量傳導出來，見圖3。

圖3 傳熱路徑

式中：R—熱阻K/W（實際結構的導熱熱阻）；P熱—熱功率W（實際熱源的熱功率，也稱為熱流密度），一般P熱＝P×a（P—電子元件的功率；a—對應的發熱率）

ΔT（℃或者K）： ΔT=T2－T1（T2熱端溫度，T1冷端溫度）

即可得到系統兩端的溫度差ΔT。 假如系統末端溫度T1已知，則顆粒處的溫度T2可以通過計算得到。 值得注意的是， 此處的T1指的是僅有熱傳導一種傳熱方式，不考慮熱輻射、熱對流的前提下，系統冷端的溫度，如果在室內條件下做實驗， 手摸到的系統末端的溫度是三種傳熱方式綜合作用下的溫度T1′， T1′＜T1。 一定程度上來講，T1只存在于理論計算中，幾乎無法通過實驗獲得。

2.2 對流

式 中：Q—對 流 換 熱 量 （W）；hc—對 流 換 熱 系 數[W/（m2·℃）]；A—有效對流換熱面積 （m2）；ΔT—換熱表面與流體溫差（℃）。 L—特征尺寸（m）；λ—流體導熱系數[W/（m·K）]；u—流體的平均流速 （m/s）；d—是流束的特征尺寸（m）；υ—是工作狀態下流體的運動粘度（m2/s）。

2.3 輻射

由于LED 顆粒的面積非常小，顆粒與周圍環境的溫差并不大，由輻射換熱量公式[2]

式中：Q—輻射換熱量（W）；ε—散熱表面輻射率（介于0和1 之間）[W/（m2·℃）]；σ—斯蒂芬-玻爾茲曼常數（黑體的輻射常數），5.67×10-8（W/m2K4）；A—輻射表面積（m2）；T1—物體有效輻射表面的溫度（K）；T2—物體所在的空間溫度（K）。

可知，在LED 顆粒允許的工作溫度范圍內，輻射換熱量大約也只有0.01W～0.015W 左右， 在工程應用中，可以忽略不計。

2.4 小結

由2.1～2.3 節分析可知，通過手工計算的方式可以進行熱設計，但是依據各自公式計算出的結果具有片面性，整合各個傳熱方式的計算結果過程繁瑣且會有較大偏差，對設計的指導性較差。如果更改散熱通路上的某個環節的材料、形式等，整個計算需要重新進行。 所以基于手工計算實現光源的熱設計是低效且難以完成的。

3 熱仿真

所有的熱仿真軟件本身是將熱傳導、熱對流、熱輻射的計算公式優化整合， 最終以軟件的界面呈現在使用者的面前，背后其實都是公式的計算。軟件將影響散熱的各個參數接口預留給設計者， 設計者只要根據實際條件輸入相應的參數，即可將繁雜的計算交給軟件完成，并且由于在功能上，軟件集成了常用的材料、風扇、散熱片、散熱硅脂、電氣元件等信息，大大減少了設計時間，為短時間內獲得理想的散熱設計提供了可能性。

3.1 仿真過程

第一，根據實際條件對諸如仿真方式、流體屬性、環境溫度、氣壓、流體特性、重力方向等系統參數進行特定設置，見圖4。

圖4 特定設置

第二，將已有模型通過插件導入到軟件里并進行簡化。從散熱的角度上來說，光源本身的一些螺釘孔、倒角、圓角等結構特征對散熱的結果幾乎沒有影響，在模型簡化時，會將其去除掉。LED 顆粒的圓弧外形將被簡化為正方形以簡化計算，以最大限度降低計算難度，防止計算失敗，見圖5。

圖5 簡化結構圖

第三，整理模型特征樹并對模型內各個實體添加材料屬性、實際熱功率賦值等操作。值得注意的是，軟件只能識別導入模型的幾何信息，沒有任何其它屬性， 設計者需要對每一個幾何體進行屬性賦值，見圖6。

圖6 特征屬性賦值

第四， 添加風扇等冷卻結構， 盡可能將風扇實際特性曲線編制到軟件中，如圖7所示。參數曲線越接近實際曲線，仿真的結果就會越接近實際值。

第五，計算、分析、查看結果，如圖7 所示。 由仿真結果可知，光源顆粒最高溫度為47.4℃。

圖7 風量風壓曲線

圖8 傳真結果

3.2 仿真與實測結果對比

圖9 光源實測位置圖

由表1 可見， 在初始條件及相關約束條件給定正確的前提下，仿真結果與實測結果基本完全吻合。

表1 顆粒溫度實測、仿真結果對比表

4 結論

有正確的仿真結果作為設計依據， 設計者可以自由的對光源進行諸如材料屬性、光源外形、散熱形式、風扇數量和型號等諸多設計元素進行自由調整， 然后通過仿真結果觀察散熱效果，大大提高了熱設計的效率，熱設計的時間可以縮短至少80%以上， 且較手工計算結果的可靠性提升至少提升300%。設計者可以通過熱仿真更準確的把握光源的技術指標、壽命指標，從而更好的管控光源產品。