LED燈具散熱設(shè)計.doc

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1、目錄摘要21引言32LED燈散熱技術(shù)33熱分析工具44一款大功率LED燈的熱分析54.1燈具物理模型54.2燈具熱網(wǎng)絡(luò)模型54.3燈具熱分析65改進(jìn)設(shè)計75.1線路板挖空方案75.2散熱片優(yōu)化方案95.3加裝熱管方案115.4界面材料優(yōu)化方案115.5加裝風(fēng)扇方案125.6均溫板設(shè)計方案126結(jié)束語12參考文獻(xiàn)首頁13摘要新一代大功率LED燈光源具有環(huán)保和節(jié)能等很多優(yōu)點(diǎn),但大功率LED燈散熱性差,易導(dǎo)致燈具光功率減小、芯片加速老化、工作壽命減短等問題,因此散熱是制約其發(fā)展的一個至關(guān)重要的因素。本文以探討大功率LED燈散熱問題的四篇學(xué)術(shù)論文為參考,綜合闡述了目前廣

2、泛運(yùn)用的大功率LED燈散熱技術(shù)、散熱產(chǎn)品以及熱分析工具,并介紹如何通過熱分析對LED燈散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。關(guān)鍵詞:大功率LED燈,ANSYS軟件,熱分析1引言發(fā)光二極管(LightEmittingDiode,LED)是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的一種新型冷光源。LED的發(fā)光機(jī)理是靠PN結(jié)中的電子在能帶間躍遷產(chǎn)生光能,芯片會有發(fā)熱現(xiàn)象,特別是大功率LED,使用多個LED組裝成一個模組,散熱量大大增加。目前LED只有15%-20%的能量轉(zhuǎn)化為光能,剩余80%-85%的能量都轉(zhuǎn)化為熱能,而芯片尺寸僅為,導(dǎo)致芯片的功率密度很大(達(dá)量級)。但是LED器件的散熱性比較差,首先因?yàn)榘?/p>

3、光LED的發(fā)光光譜中不包含紅外部分,即其熱量不能依靠輻射釋放;其次,LED燈具的擴(kuò)散熱阻及解除熱阻都很大。而散熱性差會導(dǎo)致很嚴(yán)重的后果,比如減少LED的光輸出,縮短器件的壽命,偏移LED所發(fā)光的主波長等。因此,如何使這些熱能以最短的路徑,最快速的方法,并且最大化的散發(fā)出去成了關(guān)鍵問題之一。LED的熱管理主要包括3個方面:芯片級、封裝級和系統(tǒng)集成散熱級。其中,芯片是主要的發(fā)熱部件,其量子效率決定發(fā)熱效率,襯底材料決定芯片向外傳熱效率;對封裝而言,封裝結(jié)構(gòu)、材料以及工藝直接影響散熱效率;系統(tǒng)集成散熱級也就是所謂的外部散熱器,主要包括散熱片、熱管、風(fēng)扇、均溫板等。近年

4、來,LED散熱問題逐漸被國內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)注,相應(yīng)地開展了各種研究,然而由于LED燈具散熱多為經(jīng)驗(yàn)化設(shè)計,散熱系統(tǒng)專業(yè)性比較差,以至于目前LED燈具的散熱問題仍然很嚴(yán)重。因而,對大功率LED燈具進(jìn)行熱分析和熱設(shè)計具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文首先介紹了目前LED燈的散熱技術(shù)以及常用的熱分析工具,然后選用一款大功率LED燈作為研究模型,利用ANSYS有限元分析軟件對該款LED燈進(jìn)行了熱分析,得到該燈具各部分的溫度分布以及芯片的最高溫度,在此基礎(chǔ)上對該燈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),得到滿意的散熱效果。2LED燈散熱技術(shù)目前大功率LED燈主要散熱技術(shù)有散熱片、熱管、均溫板、輻射涂覆層、導(dǎo)熱

5、膏、導(dǎo)熱墊片等。散熱片是利用擴(kuò)大的表面積將熱對流散發(fā)到環(huán)境中,影響散熱片散熱性能的因素有散熱片形狀,翅片數(shù)量、間距、尺寸大小、傾斜角度,散熱片的材料以及加工工藝等,也是最常用的散熱技術(shù),本文中模型燈具就是采用散熱片來散熱的。熱管是利用冷凝液相的循環(huán)變化,將LED發(fā)出的高熱量導(dǎo)出并散發(fā)掉。一般情況下熱管冷端與散熱片配合使用,來達(dá)到更好的散熱效果。均溫板與熱管的原理類似,只是熱管是一維單向傳熱,而均溫板為面?zhèn)鳠?,具有二維性,使整個散熱器表面溫度均勻。輻射涂覆層是在散熱器外表面涂覆散熱涂料,提高輻射率,使熱更有效的輻射出去。而導(dǎo)熱膏與導(dǎo)熱墊片是為了減小接觸熱阻。LED

6、燈散熱缺陷主要有以下4點(diǎn):1)LED燈具散熱翅片布置方式不合理。散熱翅片的布置沒有考慮到燈具的使用方式,影響到散熱片散熱效果的發(fā)揮,應(yīng)該設(shè)計符合產(chǎn)品自身特點(diǎn)的散熱翅片。2)LED燈具過分強(qiáng)調(diào)熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)、卻忽視了對流散熱環(huán)節(jié)。熱管、導(dǎo)熱硅脂等散熱措施均是通過熱傳導(dǎo)方面來減小熱阻,但熱量最終還是要依靠燈具的外表面積散走,所以在外表面涂覆輻射涂料是一個發(fā)展趨勢。3)LED燈具忽視傳熱的均衡性。如果翅片的溫度分布嚴(yán)重不均勻,將會導(dǎo)致其中一部分的翅片沒有發(fā)揮作用或作用很有限,均溫板可以起到使溫度均衡的作用。4)燈具的散熱最好是尋找設(shè)計最短的散熱通道,使熱量盡快的釋放到大氣

7、中。其中,界面熱阻是散熱通道的瓶頸,所以散熱的重點(diǎn)還應(yīng)該放在界面導(dǎo)熱材料上。3熱分析工具熱分析軟件能夠比較真實(shí)地模擬系統(tǒng)的熱狀況,能夠在產(chǎn)品設(shè)計階段對其進(jìn)行熱仿真,確定出模型中溫度的最高點(diǎn)。如果超過許用溫度,需對散熱措施進(jìn)行改進(jìn),使其達(dá)到使用的要求。這樣可減少設(shè)計成本、再設(shè)計和再生產(chǎn)的費(fèi)用,提高產(chǎn)品的一次成功率。目前熱分析軟件多種多樣,主要有ANSYS、FLUENT、EFD、ICEPAK及FloTherm等。1)從操作性上來講,EFD嵌入PRO/E、SW、CATIA軟件中,該軟件模型建立比較方便,設(shè)置簡單,對于工程中的粗略計算比較有用,但是該軟件占用系統(tǒng)資源較多

8、,網(wǎng)格不宜劃分過多,計算

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