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(fā)光元件的工業(yè)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(huán)境與高溫環(huán)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(chǎn)生的熱量主要經(jīng)由模組板、散熱硅脂、散熱片傳導出來， 然后經(jīng)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(fā)出來的熱，主要經(jīng)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(jīng)由高溫環(huán)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(huán)氧樹脂的熱阻較大，PN 結發(fā)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(fā)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(tǒng)兩端的溫度差ΔT。 假如系統(tǒng)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(tǒng)冷端的溫度，如果在室內條件下做實驗， 手摸到的系統(tǒng)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(shù)[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(shù)[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(tài)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(huán)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(shù)（黑體的輻射常數(shù)），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(jié)分析可知，通過手工計算的方式可以進行熱設計，但是依據(jù)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(huán)節(jié)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(xiàn)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(yōu)化整合， 最終以軟件的界面呈現(xiàn)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(shù)接口預留給設計者， 設計者只要根據(jù)實際條件輸入相應的參數(shù)，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(jù)實際條件對諸如仿真方式、流體屬性、環(huán)境溫度、氣壓、流體特性、重力方向等系統(tǒng)參數(shù)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(shù)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(jù)， 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(shù)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(chǎn)品。