孫學(xué)耕 林火養(yǎng)(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建福州 350019)

大功率LED路燈散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

孫學(xué)耕 林火養(yǎng)
(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建福州 350019)

本文根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)法(DOE)的策略流程,利用響應(yīng)面設(shè)計(jì)法(RSM)中的中心復(fù)合設(shè)計(jì)(CCD)來進(jìn)行大功率LED燈具散熱器的設(shè)計(jì)研究。以鋁材料鰭片型散熱器的設(shè)計(jì)為范例,研究了散熱器的熱傳導(dǎo)系數(shù)、底板厚度、鰭片厚度、鰭片間距、鰭片數(shù)量、LED分布等參數(shù)對(duì)散熱器的影響,以及參數(shù)與參數(shù)之間的相互制約關(guān)系,提出了一個(gè)通用的散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

DOE;RSM;LED;散熱器;優(yōu)化

一、引言

LED照明作為綠色照明已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)識(shí)和推廣,雖然量產(chǎn)化的LED發(fā)光效率已經(jīng)達(dá)到了100Lm/W,但是LED的電光轉(zhuǎn)換效率依然只有10～15%,其余85～90%的電能則轉(zhuǎn)換成熱能,進(jìn)而造成組件溫度提高,降低發(fā)光效率與組件壽命,甚至造成永久光衰。以1瓦的大功率LED為例,圖1與圖2顯示在不同驅(qū)動(dòng)電流下,LED結(jié)溫與光通量(Lm)和色溫(CCT)的變化關(guān)系。由圖1可知,在300mA驅(qū)動(dòng)電流下,當(dāng)接腳溫度由室溫25℃升高至60℃時(shí),光通量衰減約10%,若升高至90℃則衰減約20%;圖2表明在同樣的驅(qū)動(dòng)電流下LED結(jié)溫越高色溫也越高。因此,LED的散熱設(shè)計(jì)對(duì)減少光衰和穩(wěn)定色溫非常的重要。但是一個(gè)LED照明產(chǎn)品必須兼顧成本與性能,如光通、燈具尺寸、燈具溫度、燈具重量等,其中散熱器對(duì)燈具成本得影響非常的大,所以散熱器需要根據(jù)各種參數(shù)做一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

二、散熱器的DOE設(shè)計(jì)

對(duì)于大功率的LED燈具,若單純從散熱的角度去考慮,散熱的成本將非常高?？紤]到要將LED普及于一般照明市場(chǎng),就必須將散熱成本控制在一定的程度,同時(shí)又能把LED的結(jié)溫控制在一定的水平內(nèi)。散熱器的性能指標(biāo)主要包括散熱器溫度、均溫性、尺寸、重量。

自然封流與輻射是最常被考慮的方法。本文以鋁材料散熱鰭片的設(shè)計(jì)為例,在鰭片散熱器最高溫度、均溫性、尺寸、重量等多重參數(shù)的限定下,考慮底板厚度、鰭片厚度、鰭片數(shù)目、LED分布與材料熱傳導(dǎo)性能等設(shè)計(jì)因子對(duì)散熱器性能的影響程度。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法習(xí)慣采用一次只變動(dòng)一個(gè)設(shè)計(jì)因子(One Factor at a Time,OFAT),而其它的設(shè)計(jì)因子保持不變,來得到所想要觀察的結(jié)果。OFAT方法雖然簡(jiǎn)單易行,卻沒有辦法觀察到多個(gè)設(shè)計(jì)因子之間的交互作用對(duì)結(jié)果所造成的現(xiàn)象,從而有可能導(dǎo)致誤判。當(dāng)需要考慮多個(gè)設(shè)計(jì)因子要同時(shí)滿足多重設(shè)計(jì)條件時(shí),多個(gè)設(shè)計(jì)因子之間又會(huì)出現(xiàn)互相制約而必須采用一些折衷的辦法時(shí)OFAT方法就顯現(xiàn)出明顯的不足了。為此本文研究采用CCD做一個(gè)系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)分析,來分析各種設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)散熱器的影響程度。

根據(jù)DOE的策略流程,在初始設(shè)計(jì)階段,存在很多可能的設(shè)計(jì)因子,必須要先理清哪些因子才是重要的少數(shù)設(shè)計(jì)因子。策略流程圖建義以一階多項(xiàng)式(式1)的DOE分辨出各種設(shè)計(jì)因子的影響程度。

其中y是反應(yīng)變數(shù),x是第i個(gè)設(shè)計(jì)因子。第二階段為突破性實(shí)驗(yàn),這時(shí)候要分析各設(shè)計(jì)因子之間的交互作用,以具有交互作用的一階多項(xiàng)式(式2)的DOE確認(rèn)交互作用是否存在。

其中βji是交互作用項(xiàng)的影響系數(shù)。到此,已經(jīng)掌握了約75%的系統(tǒng)特性。如果想要進(jìn)一步優(yōu)化多重變數(shù),就要采用二階多項(xiàng)式(式3)的響應(yīng)面設(shè)計(jì)法(RSM)。

CCD即為RSM的方法之一,在使用RSM時(shí),所得到的響應(yīng)面方程式可以進(jìn)一步做魯棒設(shè)計(jì)。在面臨對(duì)問題一無所知的情況時(shí),DOE策略流程建議的初探與突破性實(shí)驗(yàn)階段,對(duì)解決問題起著相當(dāng)大的幫助。散熱器的各個(gè)設(shè)計(jì)因子如表1所示,本文直接使用CCD,尋求一快速合理的方法來優(yōu)化散熱器的設(shè)計(jì)。

表1 DOE設(shè)計(jì)因子與因子水平說明

圖3列出設(shè)計(jì)模型的基本架構(gòu),筒化后的模型包括LED晶片、LED封裝結(jié)構(gòu)、電路板(PCB)和散熱器(發(fā)光二極管(LED):16顆大功率LED(4×4陣列),1.25W/顆; LED芯片熱傳導(dǎo)系數(shù)=50 Watt/m-K;LED襯底熱傳導(dǎo)系數(shù)=260 Watt/m-K;PCB厚度:1.0mm;鋁散熱器底板面積:10cm x 10cm)。

表2列出了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)因子與因子水平,因子水平的設(shè)定已經(jīng)考慮制造加工上是否可行,例如鰭片長(zhǎng)度最長(zhǎng)為70mm。為避免不同因子水平的高低值差距過大導(dǎo)致對(duì)觀察反應(yīng)值的扭曲,將因子A～G的變動(dòng)范圍均事先規(guī)一化為無因次的水平高低-1.0～1.0,并以小寫符號(hào)a,b,c, d,e,f,g代表。表2則是評(píng)價(jià)散熱器性能的指標(biāo),經(jīng)由CCD的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)手法與模擬分析結(jié)果,可以得到具交互作用的一階多項(xiàng)式(式5)～(式8),并列表如表3。

圖3 燈具散熱結(jié)構(gòu)分析模型示意圖

表2 DOE觀察反應(yīng)值說明

其中TJ為晶片的結(jié)溫,Tb為鰭片底板溫度,P為L(zhǎng)ED總發(fā)熱瓦數(shù),可以計(jì)算出鰭片底板的最高設(shè)計(jì)溫度必須低于60℃。所以本文將設(shè)計(jì)規(guī)格定義為散熱器重量低于250g,散熱器底板溫度低于60℃。

表3 具交互作用的一階多項(xiàng)式(式2)系數(shù)列表

由表3可知,個(gè)別因子(A,B,C,D,E,F,G)的水準(zhǔn)高低對(duì)性能指標(biāo)的影響與部分因子交互作用(DE,FG, CD,CE)對(duì)性能指標(biāo)的影響程度。分析鰭片底板的最高溫度反應(yīng)值,發(fā)現(xiàn)鰭片長(zhǎng)度是最重要的設(shè)計(jì)因子。當(dāng)鰭片長(zhǎng)度從30mm變動(dòng)為70mm時(shí)(即因子c水準(zhǔn)變化△c=1-(-1)=2),根據(jù)(6式),即鰭片底板的最高溫度降低達(dá)9. 80℃。而在自然對(duì)流情況下,使用最好的散熱器材料熱傳導(dǎo)系數(shù)(200Watt/m-K),鰭片底板的最高溫度僅減小2. 6℃。當(dāng)選定Tb≤60℃,W≤250g,A=85Watt/m-K,D= 1.0mm,E=12,F=2.0mm,G=25.0mm時(shí),由式(6)與式(8)分別可以得到:

根據(jù)式(9)和式(10)的不等式解可繪制出圖4重疊區(qū)域,即灰色重疊區(qū)表示可以同時(shí)滿足鰭片底板最高溫度低于60℃和散熱器重量低于250g的復(fù)數(shù)解區(qū)域。

同樣的方法可以繪制出圖5至圖9,最后利用重疊圖4至9,就可以快速找到符合設(shè)計(jì)規(guī)格的設(shè)計(jì)因子水準(zhǔn)。

最后,經(jīng)過CCD方法優(yōu)化后,選用散熱器材料熱傳導(dǎo)值80Watt/m-K、底板厚度2mm、鰭片厚度1mm及鰭片數(shù)目為12片(此時(shí)鰭片間距7.5mm)的散熱器。由CCD反應(yīng)曲面擬合式推估鰭片底板的最高溫度57.4℃,以此設(shè)計(jì)因子水平再次進(jìn)行多重目標(biāo)優(yōu)化后的模型分析設(shè)計(jì)。筆者在產(chǎn)品研發(fā)中根據(jù)此設(shè)計(jì)模型加工出的散熱器樣品,經(jīng)測(cè)試樣品的溫度分布顯示鰭片底板的最高溫度55.9℃,與CCD所推估的溫度值很接近(相差1.5℃)。因此,可以利用所建立的CCD反應(yīng)曲面擬合式做為散熱器選用時(shí)的快速優(yōu)化工具。

三、結(jié)論

DOE的優(yōu)點(diǎn)在于提供一個(gè)系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法,開展對(duì)各設(shè)計(jì)因子靈敏度分析并研究設(shè)計(jì)因子間的交互作用影響,而CCD方法更可以提供多重目標(biāo)優(yōu)化的設(shè)計(jì)手法,缺點(diǎn)則是會(huì)使整個(gè)設(shè)計(jì)流程變得繁瑣與冗長(zhǎng)。通常對(duì)于一個(gè)全新的散熱結(jié)構(gòu),初次設(shè)計(jì)時(shí)可以利用DOE方法,在眾多設(shè)計(jì)因子中尋找出重要的設(shè)計(jì)因子與交互作用,后續(xù)類似的設(shè)計(jì)就可以直接對(duì)重要的設(shè)計(jì)因子與交互作用進(jìn)行分析。

本文提供一個(gè)系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法,以16顆1瓦高功率LED與鋁基板散熱器為例,利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與最終的樣品驗(yàn)證,確實(shí)可以在LED照明產(chǎn)品的散熱設(shè)計(jì)上取得一個(gè)均衡的設(shè)計(jì),得到較高的性價(jià)比。本文所建立的CCD反應(yīng)曲面擬合式可做為散熱器選用時(shí)的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

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TM 923.34

B

1008-7508(2012)07-00001-04

智能自適應(yīng)LED路燈開發(fā)及光色度測(cè)量分析應(yīng)用,福建省科技廳2010年產(chǎn)學(xué)重大合作項(xiàng)目,項(xiàng)目編號(hào):2010H6005

2012-04-06

孫學(xué)耕(1968～),河北玉田人,福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授,研究方向:光電器件的研究及應(yīng)用;林火養(yǎng)(1980～),福建漳洲人,光學(xué)工程碩士,研究方向:半導(dǎo)體照明器件的研究及應(yīng)用。