LED照明设计中不可或缺的“散热解决方案”

导读: 虽然白炽灯和荧光灯的能量损失大，但是大部分能量都是通过红外线直接放射出去，光源的发热少；而LED，除了作为可视光消耗的能量，其它能量都转换成了热。另外，由于LED封装面积小，通过对流和辐射的散热少，从而积累了大量的热。
LED照明作为新一代照明受到了广泛的关注。仅仅依靠LED封装并不能制作出好的照明灯具。本文主要从电子电路、热分析、光学等方面对如何运用LED特性的设计进行解说。
近年来，随着电子产品的高密度、高集成度，热解决方案的重要性越来越高，LED照明也不例外，也需要热解决方案。 虽然白炽灯和荧光灯的能量损失大，但是大部分能量都是通过红外线直接放射出去，光源的发热少；而LED，除了作为可视光消耗的能量，其它能量都转换成了热。另外，由于LED封装面积小，通过对流和辐射的散热少，从而积累了大量的热。
接下来来考虑怎么制定热解决方案。热解决方案简单的说就是解决因为热产生的各种问题。主要有：
　　1. 因为热膨胀导致弯曲和龟裂
　　2. 电子电路的运行障碍
　　3. 材料品质恶化
除此之外，也会担心如果发热会不会损坏设备？为了避免这些问题，要尽量控制电子设备的温度，也就是说有效散热很重要，重点是考虑机器的使用环境和安装方法制定最佳的热解决方案。 下面列举了由热导致的问题。后半部分以LED灯为例，就LED相关的解决方案进行解说。
由热导致的问题
　　1.因为热膨胀导致弯曲和龟裂
　　电子设备由多个零件构成，每个零件的材质都不一样，热胀冷缩的尺度也不一样。因此， 当各种材质组合在一起的时候就有可能使材质发生弯曲，膨胀时，产品在连接处因为应力过多就会产生龟裂。
　　2.电子电路的运行障碍
　　一般来说，作为热源的半导体元件，有这样一个特性，即当电子设备中的半导体元件温度上升，电的阻抗就会变小。这样就容易陷入“温度上升－阻抗下降－电流增加－热增加－温度上升”的恶性循环，进而容易发生烧断的现象。
　　3.材料品质的恶化
一般说来，电子设备中使用的材料容易氧化，温度越高氧化越快，如果让这些材料反复经过高温氧化，就会缩短其寿命。同时，反复加热，材料多次膨胀，多次冷缩，会降低材料的强度，从而破坏了材料。
LED的热解决方案
下面以LED灯为例，具体讨论LED的热解决方案。
　　要避免电子设备的发热有多种方法。比如，加散热器，在热源周围安置能提供冷气的风扇。前者是通过增加散热面积，来增加散热的通道，后者是使热不在热源周围聚集。 但是，正如图1 LED灯的概括图所示，LED封装时不能直接连接散热器，也没有安装风扇的位置。而且内部电源电路板也会产生热量，因此LED灯的散热问题可以说是一个非常棘手的问题。这样，如何有效使用LED安装材质和散热器就变得很重要。
那么如何有效利用LED安装材质和散热器呢？首先必须把握产生热的传热路径。
LED元件产生的热通过封装的导线向电路板移动，然后再通过散热器放热。电源电路板产生的热也是如此，通过电路板周围的空气和填充材质，透过散热器向外部散热。
　　
热解决方案中重要的是排除传热路径中阻碍传热的因素，比如可以考虑在传热路径中使用导热性能好的材质、扩大路径的断面面积（例如，粗的铜线比细的铜线更容易导热）、涂导热润滑剂使产品的连接部位不留空隙。
　　
另外，即使通过这些提高了导热特性，但如果散热器不向外部散热，内部还是会聚集很多热。因此也必须提高散热器表面的放热特性。典型的方法就是在表面多安装几个散热片，扩大散热器的放热面积。
　　
运用CAE工具，通过仿真验证热解决方案
　　
CAE的运用
　　
那么怎样验证热解决方法是否有效呢？一种是通过实验测量温度，但是一旦条件改变就要重新测量，效率比较低。因此需要使用CAE软件进行仿真。 图2 运用ANSYS解析软件，在LED灯横向摆放时，对LED灯周围的热和空气的流动进行仿真。（ⅰ）（ⅱ）是整个灯的温度分布图，红色部分代表温度高，蓝色部分代表温度低。（ⅲ）（ⅳ）是灯与LED封装周边（盖子内部）的自然对流图，红色箭头部分表示对流速度快，蓝色部分表示对流速度慢。与实际情况相比，这个例子只是一个非常简单的模型，但从某种程度上却能验证产品的温度分布和空气的自然对流。 从整个灯的温度分布来看，虽说盖子的温度低，其他部位温度高，但是某种程度上还是处于一个均等的温度分布。这表面产生的热量大部分都转移到散热器上，而且传送路径中没有障碍。散热器可以起到一个散热的作用，但是如果散热特性不好，整个灯的温度就会上升，因此必须注意散热器的形状（安装散热片的大小、形状、个数等）。
仿真中需要解析对象的形状、产品特性、条件等各种信息，但是通过想要确认的信息可以区别简易解析模型和详细解析模型，从而有效把握想要验证的热解决方法的好坏。例如，本例是对整个电灯的简易建模，并不能把握LED封装内部详细的温度分布，但是如果对该部分进行详细的建模，就能够确认元件实际的温度。
反复实验，通过仿真修改部分信息就可以简单的进行操作，例如容易把握散热器中散热片的形状和个数对温度的影响。作为仿真用软件，可以直接使用CAD信息进行分析，可以在统一环境中对构造、导热、热流体等进行广泛的分析，而且可以进行各种组合分析。在设计中不仅要考虑热的问题，其他因素也必须考虑，组合分析的难易是熟练进行仿真的一个关键点，这些我们在后面进行论述。
本次仅就热的问题进行了探讨，但也存在即使解决了热的问题，却不能解决光、电的问题的情况。产品重在寿命长、无性能损坏、使用安全，因此我们的课题就是实现整体的最优化设计。