LED筒灯散热仿真及光源布局优化研究

 LED用于照明存在一个共性的应用难题——散热，目前的LED仅有20%～30%的光电转换效率，其余的能量转化为热量。若灯具LED芯片中的热量不能有效散发，会使LED芯片PN结温度过高，导致发光效率降低、芯片发射光谱发生红移、色温质量下降、荧光粉的转换效率降低[1]，工作寿命下降甚至可使LED永久失效等问题[2]。当前LED灯具散热方案分为被动散热和主动散热，被动散热方案如自然散热、热管技术、均温板技术、回路热管技术[3]；主动散热如风冷散热、微通道热沉散热、半导体制冷散热[4]等。这些散热方案结构相对较大，在道路照明如LED路灯、LED隧道灯等较大的灯具上可作为有效的方法，但LED筒灯由于其体积大小、外观要求、工作环境的限制影响，更多的还是采用自然散热。

　　LED筒灯采用LED作为光源，其结构是在传统筒灯结构基础上进行改进。LED筒灯具备传统筒灯的特点，同时兼有了LED的所有优点：节能、低碳、长寿、显色性好、响应速度快等[5]。LED筒灯的设计更加的美观轻巧，安装时能达到保持建筑装饰的整体统一与完美，不破坏灯具的设置，光源隐藏建筑装饰内部，光源不外露。LED筒灯通常采用COB、阵列大功率LED(1W以上)、阵列中小功率LED(0.5W及以下)等几种光源形式，其中阵列中小功率LED光源的光学效果最好，人的视觉效果柔和、均匀，目前大部分LED筒灯都采用这种光源形式。

　　利用有限元CFD仿真软件可以全面分析LED灯具的热传导、热对流及热辐射，分析求解LED灯具内外的温度场和流场等，适用于目前LED照明灯具散热模拟仿真。白坤等[6]对一种3芯白光LED筒灯进行有限元散热模拟，分析了衬底、锡膏、铜箔、铝基板等热通道材料的横向热阻和纵向热阻，并提出一种利用铜柱连接外部散热器的快速热通道优化设计；马湘君等[7]利用有限元方法分析计算了15WLED筒灯温度场，进一步分析了PCB导热率、导热胶导热率和芯片位置(相对于鳍片式散热器)等对LED灯具散热效果的影响。本文将从筒灯主要热源处———LED光源的布局分析它对LED筒灯散热的影响，采用散热模拟仿真与实验测量相结合的方法进行研究，并将研究结果应用于LED筒灯产品改进设计中。

　　LED筒灯散热建模及仿真

　　本次研究选用一款8寸25WLED筒灯作为主要研究对象，其实物如图1所示，三维造型模型图如图2所示。

　图1 LED筒灯实物图

　图2 LED筒灯三维模型

　　1.热阻计算

　　热阻(Rth)是指热量在热通道上遇到的阻力，公式定义为热通道的温差(ΔT)与热通道上的耗散功率(P)之比[8]，见式(1)；也可通过材料导热系数(K)来计算[9]，见式(2)。

　　(公式1)

　　(公式2)

　　式中L———表示热通道路径的长度；

　　A———表示热通道有效横截面积。

　　热阻可分为导热热阻和接触热阻。当热量在同一物体内部以热传导的方式传递时，遇到的热阻称为导热热阻。当热量流过两个相接触的固体的交界面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻，称为接触热阻；产生接触热阻的主要原因是，任何外表上看来接触良好的两物体，直接接触的实际面积只是交界面的一部分，其余部分都是缝隙，热量依靠缝隙内气体的热传导和热辐射进行传递，而它们的传热能力远不及一般的固体材料。表1列出部分常用材料的导热系数。

　　表1 常用散热材料导热系数

　　对于部分热通道材料层因其厚度很小，在建模过程中可不体现出来，而采用等效面接触热阻替代，便于散热建模CFD仿真分析。例如：

　　①采用回流焊工艺将LED光源焊接到铝基板上，LED光源灯珠与铝基板间设置接触热阻。回流焊层为主要材料成分为锡(96%)，厚度一般为0.1～0.15mm，导热系数为60W/(K·m)。

　　②如图3所示，铝基板由导电层、导热绝缘层和金属基层构成，导电层厚度微小、导热率好，因此可忽略不计；主要热阻由导热绝缘层决定，导热绝缘层厚度小、导热率差，而金属基层厚度大、导热好，若二者按同一材料体设置，仿真结果将会出现较大偏差。

　图3 铝基板结构示意图

　　铝基板绝缘层与回流焊锡层的热阻进行换算成一等效热阻

　　，计算公式如下：

　　(公式3)

　　进一步，

　　可用等效导热系数

　　来表示，而

　　可按下式计算：

　　(公式4)

　　式中ri———各热通道层材料导热系数；

　　hi———各通道厚度。

　　文中灯具采用贝格斯铝基板(绝缘层厚度0.076mm、导热系数1W/(K·m))，则等效导热系数r等效为2.88W/(K·m)厚度0.226mm。

　　3)铝基板通过导热硅脂或硅胶垫片与散热器连接，此通道层设置成面接触热阻，厚度为0.5mm、导热系数为1.5W/(K·m)即可。

　　2.热载荷

　　当前照明用LED的光电转换效率ηLED约30%，亦即70%左右的LED输入功率PLED转换成热量，则LED发热量QLED为

　　(公式5)

　　热载荷计算是散热仿真过程中的重要一环，LED灯具的热载荷主要分布在两个区域：光源LED和电源。25WLED筒灯热载荷17.5W，热源有两种表现形式：体热源和面热源。两种形式的热源对于CFD散热仿真分析差别并不是很大，如图4所示。

　图4 热源载荷设置

　　3.材料表面热辐射系数的设定

　　不同材料的热辐射系数是不相同的，即使是同种材料不同表面处理工艺，其热辐射系数也不尽相同[10]，因此在CFD散热仿真时，必须明确材料及其表面处理情况。图5给出的是同一灯具，不同散热器表面辐射系数(旋压铝AL10600.65；AL10600.85)的散热仿真结果比较。观察图5中散热器多点仿真温度值和最高温度值可以发现，辐射系数的差异最终会影响到整个LED灯具温度场分布情况。

　图5 辐射系数实验

　　散热模拟仿真建模

　　1.实验室测试

　　本次实验选用25WLED筒灯进行实验室测量，实验室测量设备采用8通道测温仪TP700，搭建的LED灯具实验室温度测量平台如图6所示，测量环境为无人走动恒温密闭实验房间。测量点位置如图7所示，并与25W散热模拟仿真结果(如图8所示)进行比较，从表2中可知，仿真结果较为准确，与实验室测量误差在3℃以内。因此，本次的仿真数据得到的理论温度数据与实际温度数据较为接近，可作为参考作用。

图6 实验室测量平台

图725W筒灯光源板温度测量点位置

图825W筒灯仿真分析结果

　　2.现有25WLED筒灯光源板热仿真分析

　　25W8寸LED筒灯采用60颗5630LED布置的光源方案，灯具所使用的材料及其导热系数见表2。

　表2 25WLED筒灯灯具材料及其导热系数

　环境温度设置为26.7°C，仿真结果如图8所示。

　　3.实验室测量与仿真试验数据分析

　　从表3中数据可以发现，测量点②～⑥实测温度与仿真温度比较接近(基本在2%误差范围内)，仿真实验方法准确可信，后续将采用同样的参数和边界条件进行优化仿真分析实验。对比分析测量点①的实测温度高于仿真温度约5℃，经过分析，这是由于在样品制造生产过程中其工艺、装配以及后续的测量影响因素造成的，但可以分析出测量点①所处的最内环LED温度明显高于最外环。所以，以这一光源板布局来看，虽然其LED工作温度还处于比较理想的范围内，但造成整个光源板的LED工作温度不均，最终会导致最内环LED寿命最短，影响光源板整体寿命。因此，综合实验测量及仿真结果，将对光源板布局进行优化设计，实现光源板整体LED工作温度降低，提高光源板整体寿命。

　　表3 实验室测量与仿真温度对比(室温26.7℃)

　　光源布局优化设计

　　光源布局优化要兼顾到散热、电学、机械结构、光学和生产工艺等多个方面。由于受光源铝基板尺寸限制，若仍然采用4环，光源布局并无多大可优化空间。因此，本次光源布局优化将从原先4环LED布局，调整为3环LED布局。根据功率设置、光源板设计空间和光学要求，调整LED数量及LED排布间距，通过热仿真软件分析，确定最佳布局方案。