杨骏+汪军+翁鹏程+张敬斋
文章编号:1008-8857(2014)02-0118-04DOI:10.13259/j.cnki.eri.2014.02.013
摘 要: 在静态常温空气中的4种不同工况下对一款带有鳍片式散热器的LED进行了热学测试,对所得结果进行了对比分析,得到了LED功率与其底盘焊点温度之间的关系.在SolidWorks软件中建立了带有相同散热器的9颗LED灯具模型,借助热学仿真软件Flow Simulation用有限元法对其进行分析计算,由结果可知:中心LED温度最高,为64.31℃,周围8颗LED温度几乎相同,其平均温度为62.7℃,并推测了影响两者温差大小的因素.
关键词:
LED; 散热器; 热学仿真; 有限元法; 热导率
中图分类号: TN 312+.8文献标志码: A
Study on heatrelease conditions of LEDs
YANG Jun, WANG Jun, WENG Pengcheng, ZHANG Jingzhai
(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for
Science and Technology, Shanghai 200093, China)
Abstract: The temperature of LED with fin type heat sink was tested under 4 different working conditions in free air.The relationship between LED power and the solder temperature is acquired after test result analysis.The model of 9 LEDs with the same heat sink was set up in SolidWorks,and it was solved in Flow Simulation which is a software for thermal simulation.The center LED has the highest temperature with a value of 64.31℃.The temperatures of the other 8 LEDs around are nearly the same,and their average temperature is 62.7℃.The reason of the temperature difference is analyzed.
Key words:
LED; heat sink; thermal simulation; finitevolume method; thermal conductivity
目前,大功率高亮度的发光二极管(LED)因其高发光效率、低能耗而发展迅速[1].与传统照明的光源相比,LED具有寿命长、节能、环保、抗冲击性好、无辐射、无电磁干扰、无有毒气体、发光效率高且易受控制等显著优点[2].LED发光是由于电子在能带间的跃迁过程中产生了光子,但是电子和空穴的无辐射复合产生晶格震荡,将很大一部分能量转化为热能.目前LED的发光效率大约为20%,大量的热量无法散发,使结温升高,进而降低了芯片的发光效率[3],减少了LED的寿命[4].
1 LED灯具的基本结构
图1为某一类型LED器件示意图[5].LED正常工作时,芯片所发出的热量传给FR-4基板,经过导热胶传递给散热器.通过散热器将大量热量散发到空气中,降低芯片温度.图2为LED热传导器件的三维模型,FR-4基板上共有4颗规格完全相同的LED,分别将其命名为:LED1、LED2、LED3、LED4.图3为市场上某一款鳍片式散热器.
图1 LED器件示意图
Fig.1
The structure of LED component
图2 LED器件的三维模型
Fig.2
3D model of LED component
图3 鳍片式散热器
Fig.3
Fin type heat sink
2 LED散热性能实验
2.1 实验过程
将LED所在FR-4基板置于图3所示的散热器中央,用适量导热胶匀抹在基板下表面与散热器上表面的结合处,以减少空气间隙造成的热阻.实验共包括4种工况,均通以0.45 A的直流电流,测试环境温度为25℃.工况1: LED1正常工作,总电压为2.93 V,功率为1.3 W;工况2: LED1和LED2均正常工作,总电压为5.801 V,单颗LED功率为1.3 W,LED总功率为2.6 W;工况3: LED1、LED2和LED3同时正常工作,总电压为8.687 V,总功率为3.9 W,单颗LED功率为1.3 W;工况4: LED1、LED2、LED3和LED4都正常工作,总电压为11.8 V,总功率为5.2 W,单颗LED功率为1.3 W.正常工作时,4颗LED为串联.使用T型热电偶分别测试4种工况下工作LED底盘焊点的温度.
2.2 实验结果分析及讨论
经实验测试得到4种工况下的LED温度如表1所示.
由表1可知,同一工况下,串联连接的LED由于型号规格相同,正常工作时,各颗LED的温度几乎相同.4种工况下工作LED的平均温度分别为34.06、37.86、41.82、46.03℃.LED总功率与LED平均温度的关系如图4所示.由图可以看出,LED总功率与LED平均温度近似呈线性关系,工作LED的颗数越多,FR-4基板上每颗LED的温度也越高.
表1 4种工况下的LED温度
Tab.1
The LED temperature of 4 tests
工况总功率Pt/W单颗LED功率Ps/WLED1温度T1/℃LED2温度T2/℃LED3温度T3/℃LED4温度T4/℃平均温度T/℃
11.31.334.0634.06
22.61.338.0137.7137.86
33.91.341.5641.9341.9641.82
45.21.345.9246.2345.5646.4146.03
3 LED的热学仿真模拟
近年来,随着计算机的迅速发展以及各种热学分析软件的兴起,采用有限元法分析LED的热分布已成为很多设计者的一种选择.采用该方法具有成本低、可靠性高等优点.以实验的散热器模型为基础,研究当LED颗数增加到9颗时,FR-4基板上LED的温度情况,其中每颗LED的间距和工作情况均保持不变,FR-4基板的厚度也保持不变,面积相应增大.
图4 LED总功率与LED平均温度的关系
Fig.4
Relationship between LED power and LED average temperature
3.1 有限元法热分析理论
三维直角坐标系中瞬态温度场变量T(x,y,z,t)满足
xλxxTx+yλyyTy+zλzzTz+q0=ρcdTdt(1)
式中:T/x、T/y、T/z分别为沿x、y、z方向的温度梯度;λxx、λyy、λzz分别为x、y、z方向的热导率;q0为单位体积所生成的热量;ρ、c分别代表密度和比热容;dT/dt为温度随时间的变化率.
dTdt=Tt+VxTx+VyTy+VzTz(2)
式中:Vx、Vy、Vz分别为x、y、z方向的媒介传导速率.
当进行稳态情况的分析时,T/t=0,式(1)可以简化为
xλxxTx+yλyyTy+zλzzTz+q0=0(3)
根据式(3)、边界条件以及初始条件,利用迭代法或者消去法求解,可得出热分析的结果[6].
3.2 有限元模型的建立
在SolidWorks中建立LED灯具的几何模型,如图5所示.仿真模型假设:每颗LED的输入功率为1.3 W,发光效率为20%,鳍片式散热器的热导率为210 W•m-1•K-1,环境温度为25℃.使用Flow Simulation软件对其进行热学分析.
图5 9颗LED灯具的几何模型
Fig.5
Geometric model of a lamp with 9 LEDs
3.3 仿真结果及分析
通过计算,FR-4基板上LED的温度如图6所示,与表1中实验结果相比,仿真计算所得的9颗LED工作时的温度要比实验中4颗LED工作时所测得的温度高了近18℃.仿真结果显示,中心LED的温度略高于周围8颗LED的温度,其温度为64.31℃.从图6中的温度云图可以看出,造成这一现象的原因是周围8颗LED发热与温升都影响了中心LED的换热.周围8颗LED温度几乎相同,平均温度为62.7℃,比中心LED低1.61℃,相差不多.因此,可推测温差的大小与LED的间距和LED本身的功率两者有关.
图6 9颗LED灯具的热学仿真结果
Fig.6
The thermal simulation result of
the lamp with 9 LEDs
4 结 语
通过实验,针对LED在同一款鳍片式散热器上的4种工况进行了温度测试.通过改变FR-4基板上工作LED的颗数,对比不同工况下所得的测试结果,得到了LED温度和LED总功率近似呈线性关系的规律.此外,在SolidWorks软件中建立了该散热器承载9颗LED及FR-4基板的灯具模型,使用Flow simulation热学分析软件计算得到了每颗LED的温度情况,并分析了造成此结果的原因.有限元热分析方法的使用对于灯具的设计有着重大作用,其具有一定的可靠性,能够有效地降低成本,减少产品的设计周期.
参考文献:
[1] HELIOTIS G,STAVRINOUS P N,BRADLEY D D
C,et al.Spectral conversion of InGan ultraviolet microarray lightemitting diodes using fluorinebased red,green,blue,and whitelightemitting polymer overlayer films[J].APL,2005,87(10):130505.
[2] 谢仁富,张彦敏,朱俊.船用大功率LED灯散热性能研究[J].舰船科学技术,2011,33(8):169-172.
[3] 费翔,钱可元,罗毅.大功率LED结温测量及发光特性研究[J].光电子•激光,2008,19(3):289-299.
[4] BARTON D L,OSINSKI M,PERLIN P,et al.Singlequantum well InGaN green light emitting diodes under high electrical stress[J].Microelectronics and Reliability,1999,39(8):1219-1227.
[5] 褚旭昭,丁同言,杨洁翔,等.LED散热器散热性能优化分析[J].照明工程学报,2012,23(1):62-65.
[6] 王静,吴福根.改善大功率LED散热的关键问题[J].电子设计工程,2009,17(4):123-125.
图4 LED总功率与LED平均温度的关系
Fig.4
Relationship between LED power and LED average temperature
3.1 有限元法热分析理论
三维直角坐标系中瞬态温度场变量T(x,y,z,t)满足
xλxxTx+yλyyTy+zλzzTz+q0=ρcdTdt(1)
式中:T/x、T/y、T/z分别为沿x、y、z方向的温度梯度;λxx、λyy、λzz分别为x、y、z方向的热导率;q0为单位体积所生成的热量;ρ、c分别代表密度和比热容;dT/dt为温度随时间的变化率.
dTdt=Tt+VxTx+VyTy+VzTz(2)
式中:Vx、Vy、Vz分别为x、y、z方向的媒介传导速率.
当进行稳态情况的分析时,T/t=0,式(1)可以简化为
xλxxTx+yλyyTy+zλzzTz+q0=0(3)
根据式(3)、边界条件以及初始条件,利用迭代法或者消去法求解,可得出热分析的结果[6].
3.2 有限元模型的建立
在SolidWorks中建立LED灯具的几何模型,如图5所示.仿真模型假设:每颗LED的输入功率为1.3 W,发光效率为20%,鳍片式散热器的热导率为210 W•m-1•K-1,环境温度为25℃.使用Flow Simulation软件对其进行热学分析.
图5 9颗LED灯具的几何模型
Fig.5
Geometric model of a lamp with 9 LEDs
3.3 仿真结果及分析
通过计算,FR-4基板上LED的温度如图6所示,与表1中实验结果相比,仿真计算所得的9颗LED工作时的温度要比实验中4颗LED工作时所测得的温度高了近18℃.仿真结果显示,中心LED的温度略高于周围8颗LED的温度,其温度为64.31℃.从图6中的温度云图可以看出,造成这一现象的原因是周围8颗LED发热与温升都影响了中心LED的换热.周围8颗LED温度几乎相同,平均温度为62.7℃,比中心LED低1.61℃,相差不多.因此,可推测温差的大小与LED的间距和LED本身的功率两者有关.
图6 9颗LED灯具的热学仿真结果
Fig.6
The thermal simulation result of
the lamp with 9 LEDs
4 结 语
通过实验,针对LED在同一款鳍片式散热器上的4种工况进行了温度测试.通过改变FR-4基板上工作LED的颗数,对比不同工况下所得的测试结果,得到了LED温度和LED总功率近似呈线性关系的规律.此外,在SolidWorks软件中建立了该散热器承载9颗LED及FR-4基板的灯具模型,使用Flow simulation热学分析软件计算得到了每颗LED的温度情况,并分析了造成此结果的原因.有限元热分析方法的使用对于灯具的设计有着重大作用,其具有一定的可靠性,能够有效地降低成本,减少产品的设计周期.
参考文献:
[1] HELIOTIS G,STAVRINOUS P N,BRADLEY D D
C,et al.Spectral conversion of InGan ultraviolet microarray lightemitting diodes using fluorinebased red,green,blue,and whitelightemitting polymer overlayer films[J].APL,2005,87(10):130505.
[2] 谢仁富,张彦敏,朱俊.船用大功率LED灯散热性能研究[J].舰船科学技术,2011,33(8):169-172.
[3] 费翔,钱可元,罗毅.大功率LED结温测量及发光特性研究[J].光电子•激光,2008,19(3):289-299.
[4] BARTON D L,OSINSKI M,PERLIN P,et al.Singlequantum well InGaN green light emitting diodes under high electrical stress[J].Microelectronics and Reliability,1999,39(8):1219-1227.
[5] 褚旭昭,丁同言,杨洁翔,等.LED散热器散热性能优化分析[J].照明工程学报,2012,23(1):62-65.
[6] 王静,吴福根.改善大功率LED散热的关键问题[J].电子设计工程,2009,17(4):123-125.
图4 LED总功率与LED平均温度的关系
Fig.4
Relationship between LED power and LED average temperature
3.1 有限元法热分析理论
三维直角坐标系中瞬态温度场变量T(x,y,z,t)满足
xλxxTx+yλyyTy+zλzzTz+q0=ρcdTdt(1)
式中:T/x、T/y、T/z分别为沿x、y、z方向的温度梯度;λxx、λyy、λzz分别为x、y、z方向的热导率;q0为单位体积所生成的热量;ρ、c分别代表密度和比热容;dT/dt为温度随时间的变化率.
dTdt=Tt+VxTx+VyTy+VzTz(2)
式中:Vx、Vy、Vz分别为x、y、z方向的媒介传导速率.
当进行稳态情况的分析时,T/t=0,式(1)可以简化为
xλxxTx+yλyyTy+zλzzTz+q0=0(3)
根据式(3)、边界条件以及初始条件,利用迭代法或者消去法求解,可得出热分析的结果[6].
3.2 有限元模型的建立
在SolidWorks中建立LED灯具的几何模型,如图5所示.仿真模型假设:每颗LED的输入功率为1.3 W,发光效率为20%,鳍片式散热器的热导率为210 W•m-1•K-1,环境温度为25℃.使用Flow Simulation软件对其进行热学分析.
图5 9颗LED灯具的几何模型
Fig.5
Geometric model of a lamp with 9 LEDs
3.3 仿真结果及分析
通过计算,FR-4基板上LED的温度如图6所示,与表1中实验结果相比,仿真计算所得的9颗LED工作时的温度要比实验中4颗LED工作时所测得的温度高了近18℃.仿真结果显示,中心LED的温度略高于周围8颗LED的温度,其温度为64.31℃.从图6中的温度云图可以看出,造成这一现象的原因是周围8颗LED发热与温升都影响了中心LED的换热.周围8颗LED温度几乎相同,平均温度为62.7℃,比中心LED低1.61℃,相差不多.因此,可推测温差的大小与LED的间距和LED本身的功率两者有关.
图6 9颗LED灯具的热学仿真结果
Fig.6
The thermal simulation result of
the lamp with 9 LEDs
4 结 语
通过实验,针对LED在同一款鳍片式散热器上的4种工况进行了温度测试.通过改变FR-4基板上工作LED的颗数,对比不同工况下所得的测试结果,得到了LED温度和LED总功率近似呈线性关系的规律.此外,在SolidWorks软件中建立了该散热器承载9颗LED及FR-4基板的灯具模型,使用Flow simulation热学分析软件计算得到了每颗LED的温度情况,并分析了造成此结果的原因.有限元热分析方法的使用对于灯具的设计有着重大作用,其具有一定的可靠性,能够有效地降低成本,减少产品的设计周期.
参考文献:
[1] HELIOTIS G,STAVRINOUS P N,BRADLEY D D
C,et al.Spectral conversion of InGan ultraviolet microarray lightemitting diodes using fluorinebased red,green,blue,and whitelightemitting polymer overlayer films[J].APL,2005,87(10):130505.
[2] 谢仁富,张彦敏,朱俊.船用大功率LED灯散热性能研究[J].舰船科学技术,2011,33(8):169-172.
[3] 费翔,钱可元,罗毅.大功率LED结温测量及发光特性研究[J].光电子•激光,2008,19(3):289-299.
[4] BARTON D L,OSINSKI M,PERLIN P,et al.Singlequantum well InGaN green light emitting diodes under high electrical stress[J].Microelectronics and Reliability,1999,39(8):1219-1227.
[5] 褚旭昭,丁同言,杨洁翔,等.LED散热器散热性能优化分析[J].照明工程学报,2012,23(1):62-65.
[6] 王静,吴福根.改善大功率LED散热的关键问题[J].电子设计工程,2009,17(4):123-125.