磁瓦柔性成像新型LED光源熱阻分析與計算

劉培勇,蘇 龍,梁亞峰,王青春

(成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院,成都 610100)

鐵氧體磁瓦是一種瓦狀永磁體,主要在永磁直流電機中用來產(chǎn)生恒定磁勢源[1]。永磁電機在汽車、計算機等行業(yè)應(yīng)用廣泛,致使鐵氧體磁瓦需求量巨大。鐵氧體磁瓦需要經(jīng)過球磨、壓制成型、燒結(jié)和磨削等工序制成[2],很多因素都會導(dǎo)致磁瓦出現(xiàn)裂紋、崩塊、掉角和偏磨等多種缺陷。磁瓦質(zhì)量對永磁電機的性能有較大影響,需要剔除缺陷磁瓦。引入機器視覺技術(shù),可對磁瓦表面缺陷進行快速、準(zhǔn)確和非接觸的實時在線檢測,是磁瓦表面缺陷檢測技術(shù)發(fā)展的方向。

由于磁瓦型號規(guī)格眾多,表面顏色灰暗,經(jīng)磨削加工的空間曲面和眾多倒角面對光照方向敏感,極易形成局部反光;磨痕紋理也可能掩蓋裂紋缺陷,這些情況都會導(dǎo)致磁瓦圖像處理難度增大。因此,磁瓦表面缺陷檢測的難點之一是實時獲取高質(zhì)量的磁瓦圖像。實驗表明,采用市面上的通用光源照明,難以保證對磁瓦各檢測表面均獲得高質(zhì)量的圖像,也難以滿足磁瓦在運動成像時對光照度的要求。為解決上述問題,本文設(shè)計開發(fā)了磁瓦柔性成像大功率新型發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)光源(以下簡稱光源)。該光源可根據(jù)成像需要,配置不同功率的光源板。如對于磁瓦尺寸測量工作,為提高精度,選用像素較高的acA1920-50gm型工業(yè)相機,其分辨率為1 920×1 200。基于該型相機技術(shù)參數(shù)和運動成像曝光時間要求,經(jīng)計算,光源選用60顆LUXEON TX L1T2-4070000000000型號的大功率LED燈珠。在結(jié)溫為85 ℃條件下,該型號LED的典型驅(qū)動電壓為2.86 V時,其驅(qū)動電流為1 A,則對應(yīng)耗散功率Pd為2.86 W,光源總功率P為171.6 W。光源功率較大,必須對其散熱性能進行校驗。

1 LED光源散熱分析

1.1 LED熱阻模型分析

LED散熱控制極為重要,LED光源的可靠性主要依賴于光源的散熱性能[3]。LED結(jié)溫對LED壽命、光通量、驅(qū)動電壓等都有明顯影響,在散熱不良時,LED結(jié)溫很容易超過最大允許值而導(dǎo)致LED損壞。因此必須對光源進行熱設(shè)計和熱校驗,確保光源工作穩(wěn)定可靠。

LED光源散熱性能主要取決于光源良好的導(dǎo)熱性能和散熱結(jié)構(gòu)。劉佳欣等[4]采用納米銀膏作為芯片固晶材料,為大功率發(fā)光二極管提供良好的散熱通道,可有效降低芯片結(jié)溫并提高器件可靠性。金德智等[5]對LED植物燈散熱板進行散熱優(yōu)化設(shè)計,使其散熱效果達到最佳,而且生產(chǎn)工藝簡單。Hamida等[6]設(shè)計了一種用于LED散熱的翅片微通道,使用Al2O3水納米流體流經(jīng)該微通道進行對流傳熱,并通過優(yōu)化其幾何形狀來最大程度地提高傳熱效率。這些方法對提高LED光源的散熱性能效果明顯,但因為成本原因,并不適用于單件小批量生產(chǎn)。

在傳熱學(xué)中,傅里葉定律是熱傳導(dǎo)的基本原理。對于一維熱傳導(dǎo),傅里葉定律基本表達式[7]為:

(1)

散熱首先要保證良好的導(dǎo)熱。由于溫差的存在,熱量會從溫度高的點向溫度低的點傳遞。熱量在傳遞過程中遇到的阻力,稱為熱阻R。設(shè)溫度高的點的溫度為Th,溫度低的點的溫度為Tl:

(2)

Th=QR+Tl。

(3)

對于熱流經(jīng)過截面積不變的平板,導(dǎo)熱熱阻R為:

(4)

目前來說,大功率LED輸入電功率中只有不到40%的小部分轉(zhuǎn)化為輻射通量[8],其大部分轉(zhuǎn)化為熱量。在工程實踐中,一般都忽略轉(zhuǎn)化為光的那部分功率,并假設(shè)輸入電功率都轉(zhuǎn)變成了熱量。

圖1為本設(shè)計中LED的熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和一維熱傳導(dǎo)模型。在熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上,采用了熱電分離結(jié)構(gòu);為減小熱阻,LED散熱焊盤焊接在鋁基板上,并在鋁基板和散熱安裝板之間涂覆導(dǎo)熱性能良好的導(dǎo)熱硅脂。在本模型中,LED以傳導(dǎo)散熱為主,輻射散熱和對流散熱比例極小,可忽略不計。其傳導(dǎo)散熱路徑為:PN結(jié)熱量經(jīng)SiC襯底到LED散熱焊盤→焊錫層→鋁基板→導(dǎo)熱硅脂→散熱安裝板→空氣。根據(jù)LED熱阻網(wǎng)絡(luò)模型,以上各部分對應(yīng)的熱阻分別為RJS、RSM、RMG、RGB和RBA。設(shè)LED的PN結(jié)經(jīng)傳導(dǎo)散熱路徑到空氣之間的總熱阻為RJA,則有:

圖1 LED熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和熱阻網(wǎng)絡(luò)模型

RJA=RJS+RSM+RMG+RGB+RBA。

(5)

在LED工作熱平衡后有:

TJ=RJAPd+TA。

(6)

式中:TJ為PN結(jié)的結(jié)溫;Pd=Vf·If=2.86 W,為LED的耗散功率,即2個結(jié)點間傳導(dǎo)的熱功率;TA為環(huán)境溫度。

在熱平衡后,由圖2可知,以每2個LED間隔的中心面為界,由于溫度相同,熱流不能再橫向擴展,各個PN結(jié)產(chǎn)生的熱量經(jīng)過散熱焊盤和鋁基板等零部件向外傳導(dǎo)。因此,可以把各LED的熱傳導(dǎo)通道視作獨立通路,將LED熱傳導(dǎo)通道所對應(yīng)的各零部件劃分為形狀相同、截面積相等的虛擬獨立網(wǎng)格單元,以簡化熱阻計算。

根據(jù)設(shè)計尺寸,按圖3可以計算出一個LED分別對應(yīng)的鋁基板、導(dǎo)熱硅脂和散熱安裝板所對應(yīng)的熱傳導(dǎo)面積,如表1所示。圖3中,S1、S2、S3、S4、S5分別為散熱安裝板的各散熱表面。

圖3 LED虛擬獨立網(wǎng)格單元

表1 虛擬網(wǎng)格單元各組成部分的截面積與厚度

根據(jù)所選型號LED產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊,在驅(qū)動電流為1 050 mA時,其PN結(jié)最高可承受溫度為150 ℃,超過該溫度則PN結(jié)可能被燒毀。由圖4[9]可知,為延長使用壽命,保證LED性能,并留有足夠的冗余量,在光源熱平衡分析中,PN結(jié)溫度按100 ℃計算。從圖4可知,當(dāng)PN結(jié)溫度為100 ℃,其相對光輸出量約為97.5%。

圖4 歸一化光輸出與結(jié)溫的關(guān)系

1.2 LED熱阻計算

設(shè)最大環(huán)境溫度為45 ℃,根據(jù)式(6)有:

(7)

由式(5)和式(7)有:

RBA=RJA-RJS-RSM-RMG-RGB=

19.23-RJS-RSM-RMG-RGB。

(8)

為求解RBA,需要分別求出RJS、RSM、RMG、RGB,求解過程如下所述。

1)由文獻[9]可知:RJS=3 ℃/W。

2)求RSM。

熱阻包括導(dǎo)熱熱阻和接觸熱阻。同一物體內(nèi)部對熱流所呈現(xiàn)出的熱阻是導(dǎo)熱熱阻。2個固體接觸表面之間,實際上只有少量凸起部分真正緊密接觸,而大部分表面間形成導(dǎo)熱不良的空氣隙,阻礙熱量傳導(dǎo),從而產(chǎn)生了接觸熱阻。通常采用熱界面材料(Thermal Interface Material,TIM)填充于2個固體表面之間,消除其間的空氣隙,降低它們之間的接觸熱阻,促使熱量有效傳導(dǎo)。在熱平衡計算中,一般把接觸熱阻計算在熱界面材料層,則對于熱界面材料,其實際熱阻為:

(9)

式中,Ri為接觸熱阻。

接觸表面的平整度、光潔度、緊固壓力,以及熱界面材料的厚度、彈性模量、壓縮量等實際使用條件,都會影響接觸面的有效接觸面積,進而對接觸熱阻產(chǎn)生影響。所以對于熱界面材料,常用特定使用條件下的材料參量熱阻抗Z來表征其導(dǎo)熱性能。根據(jù)文獻[10],熱阻抗的測試計算表達式為:

(10)

式中:R為包括導(dǎo)熱熱阻和接觸熱阻的實際熱阻;ΔT為熱量流入面與流出面之間的溫差,℃。

由式(10)可推出:

(11)

熱阻抗是在整個接觸區(qū)域上將實際熱阻值歸一化到單位面積上的結(jié)果,是對熱界面材料層熱性能的精確描述。

LED通過Sn63Pb37焊接于鋁基板焊盤上,焊料填充于LED焊接面與鋁基板焊盤之間并形成冶金鍵,使接觸界面接觸良好,有效消除了接觸界面之間的空氣間隙,所以其接觸熱阻可以忽略不計。由于LED的焊接質(zhì)量對熱傳導(dǎo)具有重要影響,而且焊盤面積較小,僅有1.2 mm×1.4 mm=1.68 mm2,所以要求焊著率達到100%。如果存在焊接缺陷,會造成熱阻增大甚至帶來LED被燒毀的后果。

表2 Sn63Pb37焊層主要技術(shù)參數(shù)

焊料合金中主要成分為w(Sn)=63%和w(Pb)=37%,導(dǎo)熱系數(shù)為51 W/(m·℃),其厚度一般在0.10～0.15 mm之間,計算時取中間值0.125 mm。由式(4)可得到焊層熱阻為:

3)求RMG。

采用熱馳DLC-CPCB鋁基板,其特點是絕緣層采用類金剛石薄膜(Diamond Like Carbon,DLC)材料,該材料導(dǎo)熱系數(shù)在800 W/(m·℃)以上,大于目前已知金屬的熱傳導(dǎo)率,具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和優(yōu)良的絕緣性能。該鋁基板導(dǎo)電層、導(dǎo)熱絕緣層和金屬基層分層導(dǎo)熱系數(shù)為398,800,220 W/(m·℃),綜合導(dǎo)熱系數(shù)達到220 W/(m·℃),接近于鋁材。

表3 熱馳DLC-CPCB鋁基板主要技術(shù)參數(shù)

鋁基板用螺釘連接安裝在散熱安裝板上,厚度為2 mm。其熱阻為:

(13)

4)求RGB。

采用TG300導(dǎo)熱硅脂作為鋁基板和散熱安裝板之間的熱界面材料,其技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 TG300導(dǎo)熱硅脂主要技術(shù)參數(shù)

(14)

導(dǎo)熱硅脂涂覆厚度一般在0.05～0.15 mm,如果取0.10 mm計算,從圖5可知,熱阻抗Z=0.42 ℃·cm2/W,根據(jù)式(11),導(dǎo)熱硅脂涂覆層熱阻為:

(15)

圖5 TG300導(dǎo)熱硅脂熱阻與厚度的關(guān)系曲線

5)求RBA。

散熱安裝板是LED散熱的主要部件,材料為6063鋁合金,導(dǎo)熱系數(shù)為201 W/(m·℃),散熱效果良好。散熱安裝板采用黑色陽極氧化表面處理。同等條件下,黑色物體將熱能對外輻射的能力高于非黑色物體。同時,陽極氧化表面處理生成的氧化膜表面具有納米孔洞結(jié)構(gòu)[11],增加了散熱的表面積。在自然冷卻條件下,經(jīng)過黑色陽極氧化表面處理的散熱器能將散熱效率提高10%～15%,同時起到良好的防腐蝕的作用。RBA包括了散熱安裝板自身的傳熱熱阻和與空氣間的傳熱熱阻。由式(8)有:

RBA=19.23-3-1.46-0.042-0.19≈14.54。

(16)

如圖3所示,散熱安裝板對應(yīng)于LED的獨立虛擬網(wǎng)格單元所傳導(dǎo)的熱功率為Pd,則散熱安裝板與環(huán)境溫度的設(shè)計溫差Δt為:

Δt=RBAPd=14.54×2.86≈41.58。

(17)

可以根據(jù)散熱安裝板表面溫度TDB計算LED燈珠PN結(jié)的溫度TPN為:

TPN=TDB+4.692×2.86≈TDB+13.4。

(18)

為了保證LED燈珠PN結(jié)的溫度不高于100 ℃,則散熱安裝板表面溫度TDB不應(yīng)高于86.6 ℃。

對于自然冷卻散熱,根據(jù)文獻[12]計算散熱安裝板的散熱量。其計算公式為:

(19)

式中:φ為熱流量,W;A為換熱面積,m2;C為查表系數(shù);D為特征尺寸,m。

式(19)中的D除與平板尺寸有關(guān)外,還與散熱面位置有關(guān)。所以需要根據(jù)散熱面位置不同,分別計算各散熱面所能散發(fā)的散熱量,然后再對各散熱面散發(fā)的散熱量進行求和,即可求出總散熱量。

在圖3中,LED不在散熱安裝板中心位置,其溫度分布并不均勻,但6063鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)較高,獨立虛擬網(wǎng)格單元對應(yīng)的板件尺寸不大,則降低了這種影響。因此,為計算最大散熱量,可以假定LED單元對應(yīng)的板件在熱平衡后,其散熱表面溫度與環(huán)境溫度溫差均為41.58 ℃。如圖3所示,根據(jù)光源設(shè)計尺寸和式(19),光源安裝散熱板各表面S1、S2、S3、S4、S5的散熱量計算結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4,安裝散熱板總散熱量Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=0.42 W。基于光源現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的自然冷卻散熱功率,僅為LED耗散功率Pd=2.86 W的14.69%。對于自然冷卻方式,散熱器與空氣的接觸面積是決定散熱器熱阻的主要參數(shù)。鑒于光源安裝位置和結(jié)構(gòu)尺寸限制,以及因相機成像位置可調(diào)而不能產(chǎn)生遮擋的原因,難以對光源選裝合適的散熱器和散熱風(fēng)扇,也難以對光源結(jié)構(gòu)進行調(diào)整以大量增加散熱面積。所以光源不能滿足散熱性能要求。

表4 LED散熱板各表面散熱量計算

2 光源的控制

有鑒于此,光源考慮采用觸發(fā)控制,觸發(fā)后將光源點亮?xí)r間控制在1 000 μs內(nèi),單個LED實際功率P=0.003 4 W,大大降低了光源實際功率,有效解決了光源的散熱問題,并可顯著降低LED的PN結(jié)結(jié)溫,從而保證光源性能。

圖6為光源觸發(fā)控制電路板。光源主電路由IRFP4568PbF增強型MOS場效應(yīng)管控制,該MOS管的導(dǎo)通由光電開關(guān)控制。當(dāng)磁瓦到達成像位置時,觸發(fā)光電開關(guān),光電開關(guān)發(fā)出信號,在觸發(fā)MOS管的同時,觸發(fā)相機拍照,并可向可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)發(fā)出光源點亮信號;光源的熄滅可由另一個光電開關(guān)觸發(fā)或由PLC控制,以精確控制光源需要點亮的時間。

所有光源都是采用恒壓控制,由1個程控直流穩(wěn)壓電源集中供電,電源電壓可通過通信精確控制,并與各相機曝光時間相協(xié)調(diào)。

圖6 光源觸發(fā)控制電路板

3 實驗結(jié)果

3.1 溫升測試

分別在長亮和觸發(fā)2種控制方式下,采用溫度傳感器和溫控儀測試散熱安裝板溫度,并設(shè)定當(dāng)散熱安裝板溫度超過80 ℃則切斷光源電源,并記錄光源工作時間,如圖7所示。為提高測試準(zhǔn)確性,在溫度傳感器304不銹鋼貼片與散熱安裝板之間涂覆一薄層散熱硅脂,然后用醫(yī)用膠布將該傳感器貼片完全覆蓋并粘在散熱安裝板上固定,最后用50 mm×150 mm德式重型F夾提供約40 psi(≈0.28 MPa)的壓強。測試結(jié)果如表5所示。

圖7 磁瓦柔性成像光源測試

表5 光源溫升測試

從表5可知,對于觸發(fā)控制,光源穩(wěn)定工作1 h,散熱安裝板溫升基本穩(wěn)定在環(huán)境溫度以上0.8 ℃,可以長期穩(wěn)定工作;對于長亮控制,經(jīng)過19 min,散熱安裝板溫度即達到80 ℃,不能穩(wěn)定工作。

3.2 照度測試

如圖8所示,通過程控電源將光源驅(qū)動電流調(diào)整為1 000 mA,將光源遮光板調(diào)節(jié)在最下部位置,在距光源下底面5 mm的檢測平面中心位置上,通過TES-1339R專業(yè)級照度計測量照度值大小,在散熱安裝板溫度為45.8℃時測量值為59 890 lx,與光源設(shè)計值和仿真值相接近。

為避免圖像模糊和拖尾等現(xiàn)象,對運動物體成像的曝光時間,應(yīng)小于物體運動1個像素所對應(yīng)的實際物理距離所需要的時間。廠家要求檢測磁瓦最大尺寸為90 mm×72 mm,確定最大視野范圍為100 mm×80 mm,檢測速度按72塊/min設(shè)計。為避免成像干擾,根據(jù)光源結(jié)構(gòu)尺寸,確定磁瓦在輸送帶上的中心間距為210 mm,即磁瓦以252 mm/s的速度運動。如前所述,相機分辨率為1 920×1 200,則相機曝光時間t為:

(20)

對在檢測線上按正常速度輸送的、拱高和灰暗程度不同的典型磁瓦成像,相機型號為acA1920-50gm,曝光時間均為125 μs。圖8中(a)圖是對拱高較大、色澤較暗的磁瓦所成的像,(b)圖是對拱高較小、色澤較淺的磁瓦所成的像。如圖8所示,磁瓦圖像清晰,對比度高,背景均勻,未出現(xiàn)拖尾等運動模糊現(xiàn)象,具有較高的成像質(zhì)量。由于曝光時間留有較大裕量,光源亮度完全滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

通過構(gòu)建LED光源熱阻模型,基于LED虛擬獨立網(wǎng)格單元方法解決了光源散熱計算問題;通過將光源控制方式改進為觸發(fā)控制,使光源發(fā)熱功率降低為連續(xù)照明控制方式的1.2‰,從而解決了大功率磁瓦成像光源的散熱問題。實驗結(jié)果表明,磁瓦圖像未出現(xiàn)拖尾等運動模糊現(xiàn)象,光源亮度滿足對各型磁瓦的運動成像要求。本文設(shè)計的光源成本低,成像質(zhì)量高;在實際檢測工作中,光源未出現(xiàn)過熱情況,工作性能穩(wěn)定可靠,能滿足大批量磁瓦表面缺陷實時在線檢測成像要求。