大功率LED路灯散热器优化设计方法研究

孙学耕 林火养(福建信息职业技术学院,福建福州 350019)

大功率LED路灯散热器优化设计方法研究

孙学耕 林火养
(福建信息职业技术学院,福建福州 350019)

本文根据试验设计法(DOE)的策略流程,利用响应面设计法(RSM)中的中心复合设计(CCD)来进行大功率LED灯具散热器的设计研究。以铝材料鳍片型散热器的设计为范例,研究了散热器的热传导系数、底板厚度、鳍片厚度、鳍片间距、鳍片数量、LED分布等参数对散热器的影响,以及参数与参数之间的相互制约关系,提出了一个通用的散热器优化设计方法。

DOE;RSM;LED;散热器;优化

一、引言

LED照明作为绿色照明已经得到了广泛的认识和推广,虽然量产化的LED发光效率已经达到了100Lm/W,但是LED的电光转换效率依然只有10～15%,其余85～90%的电能则转换成热能,进而造成组件温度提高,降低发光效率与组件寿命,甚至造成永久光衰。以1瓦的大功率LED为例,图1与图2显示在不同驱动电流下,LED结温与光通量(Lm)和色温(CCT)的变化关系。由图1可知,在300mA驱动电流下,当接脚温度由室温25℃升高至60℃时,光通量衰减约10%,若升高至90℃则衰减约20%;图2表明在同样的驱动电流下LED结温越高色温也越高。因此,LED的散热设计对减少光衰和稳定色温非常的重要。但是一个LED照明产品必须兼顾成本与性能,如光通、灯具尺寸、灯具温度、灯具重量等,其中散热器对灯具成本得影响非常的大,所以散热器需要根据各种参数做一个优化设计。

二、散热器的DOE设计

对于大功率的LED灯具,若单纯从散热的角度去考虑,散热的成本将非常高。考虑到要将LED普及于一般照明市场,就必须将散热成本控制在一定的程度,同时又能把LED的结温控制在一定的水平内。散热器的性能指标主要包括散热器温度、均温性、尺寸、重量。

自然封流与辐射是最常被考虑的方法。本文以铝材料散热鳍片的设计为例,在鳍片散热器最高温度、均温性、尺寸、重量等多重参数的限定下,考虑底板厚度、鳍片厚度、鳍片数目、LED分布与材料热传导性能等设计因子对散热器性能的影响程度。传统的设计方法习惯采用一次只变动一个设计因子(One Factor at a Time,OFAT),而其它的设计因子保持不变,来得到所想要观察的结果。OFAT方法虽然简单易行,却没有办法观察到多个设计因子之间的交互作用对结果所造成的现象,从而有可能导致误判。当需要考虑多个设计因子要同时满足多重设计条件时,多个设计因子之间又会出现互相制约而必须采用一些折衷的办法时OFAT方法就显现出明显的不足了。为此本文研究采用CCD做一个系统性的设计分析,来分析各种设计参数对散热器的影响程度。

根据DOE的策略流程,在初始设计阶段,存在很多可能的设计因子,必须要先理清哪些因子才是重要的少数设计因子。策略流程图建义以一阶多项式(式1)的DOE分辨出各种设计因子的影响程度。

其中y是反应变数,x是第i个设计因子。第二阶段为突破性实验,这时候要分析各设计因子之间的交互作用,以具有交互作用的一阶多项式(式2)的DOE确认交互作用是否存在。

其中βji是交互作用项的影响系数。到此,已经掌握了约75%的系统特性。如果想要进一步优化多重变数,就要采用二阶多项式(式3)的响应面设计法(RSM)。

CCD即为RSM的方法之一,在使用RSM时,所得到的响应面方程式可以进一步做鲁棒设计。在面临对问题一无所知的情况时,DOE策略流程建议的初探与突破性实验阶段,对解决问题起着相当大的帮助。散热器的各个设计因子如表1所示,本文直接使用CCD,寻求一快速合理的方法来优化散热器的设计。

表1 DOE设计因子与因子水平说明

图3列出设计模型的基本架构,筒化后的模型包括LED晶片、LED封装结构、电路板(PCB)和散热器(发光二极管(LED):16颗大功率LED(4×4阵列),1.25W/颗; LED芯片热传导系数=50 Watt/m-K;LED衬底热传导系数=260 Watt/m-K;PCB厚度:1.0mm;铝散热器底板面积:10cm x 10cm)。

表2列出了实验设计中的设计因子与因子水平,因子水平的设定已经考虑制造加工上是否可行,例如鳍片长度最长为70mm。为避免不同因子水平的高低值差距过大导致对观察反应值的扭曲,将因子A～G的变动范围均事先规一化为无因次的水平高低-1.0～1.0,并以小写符号a,b,c, d,e,f,g代表。表2则是评价散热器性能的指标,经由CCD的实验设计手法与模拟分析结果,可以得到具交互作用的一阶多项式(式5)～(式8),并列表如表3。

图3 灯具散热结构分析模型示意图

表2 DOE观察反应值说明

其中TJ为晶片的结温,Tb为鳍片底板温度,P为LED总发热瓦数,可以计算出鳍片底板的最高设计温度必须低于60℃。所以本文将设计规格定义为散热器重量低于250g,散热器底板温度低于60℃。

表3 具交互作用的一阶多项式(式2)系数列表

由表3可知,个别因子(A,B,C,D,E,F,G)的水准高低对性能指标的影响与部分因子交互作用(DE,FG, CD,CE)对性能指标的影响程度。分析鳍片底板的最高温度反应值,发现鳍片长度是最重要的设计因子。当鳍片长度从30mm变动为70mm时(即因子c水准变化△c=1-(-1)=2),根据(6式),即鳍片底板的最高温度降低达9. 80℃。而在自然对流情况下,使用最好的散热器材料热传导系数(200Watt/m-K),鳍片底板的最高温度仅减小2. 6℃。当选定Tb≤60℃,W≤250g,A=85Watt/m-K,D= 1.0mm,E=12,F=2.0mm,G=25.0mm时,由式(6)与式(8)分别可以得到:

根据式(9)和式(10)的不等式解可绘制出图4重叠区域,即灰色重叠区表示可以同时满足鳍片底板最高温度低于60℃和散热器重量低于250g的复数解区域。

同样的方法可以绘制出图5至图9,最后利用重叠图4至9,就可以快速找到符合设计规格的设计因子水准。

最后,经过CCD方法优化后,选用散热器材料热传导值80Watt/m-K、底板厚度2mm、鳍片厚度1mm及鳍片数目为12片(此时鳍片间距7.5mm)的散热器。由CCD反应曲面拟合式推估鳍片底板的最高温度57.4℃,以此设计因子水平再次进行多重目标优化后的模型分析设计。笔者在产品研发中根据此设计模型加工出的散热器样品,经测试样品的温度分布显示鳍片底板的最高温度55.9℃,与CCD所推估的温度值很接近(相差1.5℃)。因此,可以利用所建立的CCD反应曲面拟合式做为散热器选用时的快速优化工具。

三、结论

DOE的优点在于提供一个系统化的设计方法,开展对各设计因子灵敏度分析并研究设计因子间的交互作用影响,而CCD方法更可以提供多重目标优化的设计手法,缺点则是会使整个设计流程变得繁琐与冗长。通常对于一个全新的散热结构,初次设计时可以利用DOE方法,在众多设计因子中寻找出重要的设计因子与交互作用,后续类似的设计就可以直接对重要的设计因子与交互作用进行分析。

本文提供一个系统化的设计方法,以16颗1瓦高功率LED与铝基板散热器为例,利用实验设计方法与最终的样品验证,确实可以在LED照明产品的散热设计上取得一个均衡的设计,得到较高的性价比。本文所建立的CCD反应曲面拟合式可做为散热器选用时的快速优化设计方法。

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TM 923.34

B

1008-7508(2012)07-00001-04

智能自适应LED路灯开发及光色度测量分析应用,福建省科技厅2010年产学重大合作项目,项目编号:2010H6005

2012-04-06

孙学耕(1968～),河北玉田人,福建信息职业技术学院副教授,研究方向:光电器件的研究及应用;林火养(1980～),福建漳洲人,光学工程硕士,研究方向:半导体照明器件的研究及应用。