一種大功率的LED模組設計

摘要：由于LED在工作的時候會產(chǎn)生大量熱量，而隨著LED不斷朝著模組化、智能化的方向發(fā)展，大功率LED模組的設計問題成為了行業(yè)的研究重點。文章從封裝結(jié)構(gòu)散熱和輔助散熱兩方面對目前的LED熱管理技術進行了綜述，并提出了一種適用于大功率LED模組的熱設計方案。通過模擬分析發(fā)現(xiàn)，該模組設計方案能充分匹配當前燈珠的散熱要求，而且會使每流明的成本有較大幅度地下降。

關鍵詞：LED模組；大功率；FLOEFD模擬；封裝結(jié)構(gòu)散熱；輔助散熱

中圖分類號：TN873?；?；?；?；文獻標識碼：A?；?；?；?；文章編號：1009-2374（2014）18-0009-04

隨著LED（發(fā)光二極管）的功率、發(fā)光強度和發(fā)光效率大幅度提高，LED作為新型照明光源在市場中的份額逐漸提高，給現(xiàn)代社會生活質(zhì)量的提高帶來了不可估量的影響，正在引發(fā)一場全球照明領域的革命。

隨著LED芯片技術日趨成熟，LED光效越來越高，相對地燈珠的發(fā)熱量也降低了。市面上的LED模組多數(shù)都是20W左右，散熱器出現(xiàn)較大的散熱能力盈余，而且單個模組的光通量也逐漸缺乏競爭力。設計新的光學模組（50W）能夠充分匹配當前燈珠的散熱要求，而且會使每流明的成本有較大幅度的下降。

1散熱方案設計

1.1散熱目標

散熱器應滿足功率為50W的LED模組的散熱需求（使25℃環(huán)境下燈珠結(jié)點溫度Tj<90℃）。

1.2散熱方式

利用空氣自然對流換熱，采用熱管加翅片組合方式加強對流散熱能力。

1.3散熱結(jié)構(gòu)設計

圖1散熱結(jié)構(gòu)設計流程圖

1.4光通量及功率計算

光通量目標：>5000lm；

光效目標：>100lm/W；

故燈珠選用歐司朗的OSLON SQUARE。

根據(jù)提供的規(guī)格書確認LED燈珠信息如下：

1.5LED燈珠信息

燈珠類型：OSLON SQUARE

亮度等級：MU

燈珠數(shù)量：24pcs

燈珠工作電流：0.625A

燈珠工作電壓：3.25V

單燈珠功率：2.0W

總輸出功率：48W

檢驗：MU等級光通量最小值為259lm@700mA

整個模組光通量=0.85×259×24=5283lm。

模組光效=5283/48=110.1lm/W

滿足設計目標要求。

1.6翅片面積計算

根據(jù)牛頓冷卻定律，散熱量為：

Q=ηhA（Ts-Ta）

式中：

h—自然對流換熱系數(shù)，一般為5W/mK

Ta—環(huán)境空氣溫度取值為25℃

Ts—翅片表面溫度取值為55℃

η—翅片組效率，對于鋁翅片取值為0.95

Q—散熱量取值為41W

則推算出要求的散熱面積，即翅片表面積A應不小于0.288m2。

設計翅片大小為110×46mm，片數(shù)為29，則翅片表面積：

A=29×0.11×0.046×2=0.293m2>0.288m2。

滿足計算要求。

1.7散熱器外觀尺寸設計

設計散熱大體外觀尺寸如圖2所示：

圖2散熱器外觀圖

1.8燈珠及鋁基板

考慮到防水膠條位置大小及參考20W模組的鋁基板結(jié)構(gòu)，設計的鋁基板參數(shù)如圖3所示：

圖3燈板尺寸圖

1.9模組材料組成及其導熱系數(shù)

模組散熱所用到的材料及導熱系數(shù)如表1所示：

表1材料物性表

零件 材料 導熱系數(shù)（W/m·K）

散熱器 AL6063 203

PCB覆銅層 Copper 398

PCB絕緣層 Filler epoxy 1

PCB鋁基層 AL6063 203

熱管 燒結(jié)管 15000

導熱硅脂 Silicone 1.5

2散熱模擬

2.1模擬工具

專業(yè)熱設計軟件FloEFD 10，F(xiàn)loEFD 是新一代流體動力學分析的革命性工具，全球唯一完全嵌入三維機械CAD 環(huán)境中高度工程化的通用流體傳熱分析軟件，真正實現(xiàn)了仿真分析流程與設計流程的無縫結(jié)合，成為從事于流動、換熱相關產(chǎn)品開發(fā)/設計工程師的高效工具。

2.2構(gòu)建模型

圖4?；3D模型及重力方向示意圖

散熱模型如圖4所示。

2.3工況類型

本散熱模擬共模擬8種工況下LED的散熱情況，目的是考察重力方向及熱管對散熱器散熱能力的影響，如表2

所示：

表2

序號 描述 重力方向

1 有熱管，正向（翅片朝上） -Y

2 有熱管，反向（翅片朝下） +Y

3 有熱管，豎置（翅片水平） +X

4 有熱管，側(cè)置（翅片豎直） +Z

5 無熱管，正向（翅片朝上） -Y

6 無熱管，反向（翅片朝下） +Y

7 無熱管，豎置（翅片水平） +X

8 無熱管，側(cè)置（翅片豎直） +Z

2.4模擬條件

本模擬的散熱初始條件及模擬邊界條件如圖5

所示：

圖5計算域示意圖

2.5模擬溫度取點

通過溫度點取值與后面的實驗測試結(jié)果作對比驗證，考慮對稱結(jié)構(gòu)所取溫度點如下圖6所示：

圖6溫度點示意圖

注：T1至T6：燈珠焊點溫度；T9：邊緣翅片頂部溫度

?；?；T7：熱管表面溫度；T10：中央翅片根部溫度

?；?；T8：邊緣翅片根部溫度；T11：中央翅片頂部溫度

2.6模擬結(jié)果分析

通過對以上所有溫度點的檢查，可以通過某些特征點來分析該散熱器的散熱效果，例如工況2，如圖7

所示：

圖7工況2時部分選取溫度點的值

各工況的測溫點溫度匯總表如表3所示。

3測試驗證

3.1測試方法

11條熱電偶分布在散熱器各關鍵位置測溫，測量誤差約為±1℃。

3.2熱電偶位置

熱電偶位置如圖8所示（與模擬的測溫點一致）。

3.3熱電偶溫度匯總

熱電偶溫度匯總詳見表4。

3.4數(shù)據(jù)處理

由于測量時環(huán)境溫度低于25℃，故需要將實驗測量數(shù)據(jù)補償室溫與25℃的溫差，再與模擬溫度作比較。計算公式如下：

T實測@25℃=T實測+（25-Ta）

另外根據(jù)歐司朗提供的規(guī)格書OSLON SQUARE的結(jié)點到焊點的熱阻最大值為3.2K/W。

結(jié)點到焊點的溫升△T=3.2×2=6.4℃

故模擬推算的結(jié)溫：

TJ_模擬=T模擬@25℃+6.4℃

故實測推算的結(jié)溫：

TJ_實測=T實測@25℃+6.4℃

圖8熱電偶的連接方法

3.5結(jié)溫比較

通過比較發(fā)現(xiàn)模擬和實測的結(jié)果符合良好，總體誤差為5.6%；模擬結(jié)果比實際測量的溫度偏高，其中豎直擺放工況的誤差偏大。

圖9

3.6誤差分析

對于豎直工況誤差略大一些，其余工況符合良好，對于誤差分析如下：

自然風：在實際測量環(huán)境中，由于實驗室內(nèi)人員的走動，直流電源內(nèi)部散熱風扇吹出的風都會導致實驗環(huán)境空氣存在一定的風速，導致實驗測量的溫度比模擬結(jié)果略高。而對于豎直放置的工況，影響尤其明顯，故誤差較大。

輻射系數(shù)：散熱器的輻射系數(shù)無法測量，模擬采用的是經(jīng)驗的0.27計算，可能會造成一定的誤差。

4結(jié)語

通過計算機模擬驗證了根據(jù)傳熱學理論推算的翅片面積是滿足50W模組的散熱要求；通過計算機模擬考察了散熱器擺放位置及有無熱管對散熱能力的影響，發(fā)現(xiàn)熱管的加入對散熱能力有一定的提高，能使結(jié)溫下降2℃。而豎直擺放的工況是非常不利于散熱的。通過實測驗證了模擬的準確度，模擬結(jié)果會比實測值要偏高，誤差平均為5.6%。該精度證明了模擬對散熱器的設計具有重要的參考意義。根據(jù)以上結(jié)果，設計的散熱器能滿足50W LED的散熱要求。

參考文獻

[1]?；余桂英，朱旭平，胡錫兵.一種高功率LED射燈的?；散熱設計與實驗研究[J].半導體技術，2010，?；（5）.

[2]?；王爽，熊峰，楊潔翔，俞濤.藍光LED投光燈具高?；溫老化光電性能研究[J].半導體技術，2011，?；（1）.

[3]?；吳軍，李抒智，楊衛(wèi)橋，張建華.功率型LED散熱?；器的研究[J].半導體技術，2010，（10）.

[4]?；黃鈺期，俞小莉.緊湊式換熱器開孔翅片流動傳熱?；特性分析[J].化工學報，2009，（9）.

[5]?；李靜，呂國強，楊軍，賀兆昌，張文丙.一種帶散?；熱片的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的熱模擬與分析[J].真空?；電子技術，2010，（5）.

[6]?；魯祥友，華澤釗，劉美靜，程遠霞.基于熱管散熱?；的大功率LED 熱特性測量與分析[J].光電子激?；光，2009，（1）.

作者簡介：鐘弘毅（1983—），男，湖南永州人，供職于廣州廣日電氣設備有限公司，研究方向：LED及LED照明燈具、汽車照明。

所示：

圖5計算域示意圖

2.5模擬溫度取點

通過溫度點取值與后面的實驗測試結(jié)果作對比驗證，考慮對稱結(jié)構(gòu)所取溫度點如下圖6所示：

圖6溫度點示意圖

注：T1至T6：燈珠焊點溫度；T9：邊緣翅片頂部溫度

?；?；T7：熱管表面溫度；T10：中央翅片根部溫度

?；?；T8：邊緣翅片根部溫度；T11：中央翅片頂部溫度

2.6模擬結(jié)果分析

通過對以上所有溫度點的檢查，可以通過某些特征點來分析該散熱器的散熱效果，例如工況2，如圖7

所示：

圖7工況2時部分選取溫度點的值

各工況的測溫點溫度匯總表如表3所示。

3測試驗證

3.1測試方法

11條熱電偶分布在散熱器各關鍵位置測溫，測量誤差約為±1℃。

3.2熱電偶位置

熱電偶位置如圖8所示（與模擬的測溫點一致）。

3.3熱電偶溫度匯總

熱電偶溫度匯總詳見表4。

3.4數(shù)據(jù)處理

由于測量時環(huán)境溫度低于25℃，故需要將實驗測量數(shù)據(jù)補償室溫與25℃的溫差，再與模擬溫度作比較。計算公式如下：

T實測@25℃=T實測+（25-Ta）

另外根據(jù)歐司朗提供的規(guī)格書OSLON SQUARE的結(jié)點到焊點的熱阻最大值為3.2K/W。

結(jié)點到焊點的溫升△T=3.2×2=6.4℃

故模擬推算的結(jié)溫：

TJ_模擬=T模擬@25℃+6.4℃

故實測推算的結(jié)溫：

TJ_實測=T實測@25℃+6.4℃

圖8熱電偶的連接方法

3.5結(jié)溫比較

通過比較發(fā)現(xiàn)模擬和實測的結(jié)果符合良好，總體誤差為5.6%；模擬結(jié)果比實際測量的溫度偏高，其中豎直擺放工況的誤差偏大。

圖9

3.6誤差分析

對于豎直工況誤差略大一些，其余工況符合良好，對于誤差分析如下：

自然風：在實際測量環(huán)境中，由于實驗室內(nèi)人員的走動，直流電源內(nèi)部散熱風扇吹出的風都會導致實驗環(huán)境空氣存在一定的風速，導致實驗測量的溫度比模擬結(jié)果略高。而對于豎直放置的工況，影響尤其明顯，故誤差較大。

輻射系數(shù)：散熱器的輻射系數(shù)無法測量，模擬采用的是經(jīng)驗的0.27計算，可能會造成一定的誤差。

4結(jié)語

通過計算機模擬驗證了根據(jù)傳熱學理論推算的翅片面積是滿足50W模組的散熱要求；通過計算機模擬考察了散熱器擺放位置及有無熱管對散熱能力的影響，發(fā)現(xiàn)熱管的加入對散熱能力有一定的提高，能使結(jié)溫下降2℃。而豎直擺放的工況是非常不利于散熱的。通過實測驗證了模擬的準確度，模擬結(jié)果會比實測值要偏高，誤差平均為5.6%。該精度證明了模擬對散熱器的設計具有重要的參考意義。根據(jù)以上結(jié)果，設計的散熱器能滿足50W LED的散熱要求。

參考文獻

[1]?；余桂英，朱旭平，胡錫兵.一種高功率LED射燈的?；散熱設計與實驗研究[J].半導體技術，2010，?；（5）.

[2]?；王爽，熊峰，楊潔翔，俞濤.藍光LED投光燈具高?；溫老化光電性能研究[J].半導體技術，2011，?；（1）.

[3]?；吳軍，李抒智，楊衛(wèi)橋，張建華.功率型LED散熱?；器的研究[J].半導體技術，2010，（10）.

[4]?；黃鈺期，俞小莉.緊湊式換熱器開孔翅片流動傳熱?；特性分析[J].化工學報，2009，（9）.

[5]?；李靜，呂國強，楊軍，賀兆昌，張文丙.一種帶散?；熱片的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的熱模擬與分析[J].真空?；電子技術，2010，（5）.

[6]?；魯祥友，華澤釗，劉美靜，程遠霞.基于熱管散熱?；的大功率LED 熱特性測量與分析[J].光電子激?；光，2009，（1）.

作者簡介：鐘弘毅（1983—），男，湖南永州人，供職于廣州廣日電氣設備有限公司，研究方向：LED及LED照明燈具、汽車照明。

所示：

圖5計算域示意圖

2.5模擬溫度取點

通過溫度點取值與后面的實驗測試結(jié)果作對比驗證，考慮對稱結(jié)構(gòu)所取溫度點如下圖6所示：

圖6溫度點示意圖

注：T1至T6：燈珠焊點溫度；T9：邊緣翅片頂部溫度

?；?；T7：熱管表面溫度；T10：中央翅片根部溫度

?；?；T8：邊緣翅片根部溫度；T11：中央翅片頂部溫度

2.6模擬結(jié)果分析

通過對以上所有溫度點的檢查，可以通過某些特征點來分析該散熱器的散熱效果，例如工況2，如圖7

所示：

圖7工況2時部分選取溫度點的值

各工況的測溫點溫度匯總表如表3所示。

3測試驗證

3.1測試方法

11條熱電偶分布在散熱器各關鍵位置測溫，測量誤差約為±1℃。

3.2熱電偶位置

熱電偶位置如圖8所示（與模擬的測溫點一致）。

3.3熱電偶溫度匯總

熱電偶溫度匯總詳見表4。

3.4數(shù)據(jù)處理

由于測量時環(huán)境溫度低于25℃，故需要將實驗測量數(shù)據(jù)補償室溫與25℃的溫差，再與模擬溫度作比較。計算公式如下：

T實測@25℃=T實測+（25-Ta）

另外根據(jù)歐司朗提供的規(guī)格書OSLON SQUARE的結(jié)點到焊點的熱阻最大值為3.2K/W。

結(jié)點到焊點的溫升△T=3.2×2=6.4℃

故模擬推算的結(jié)溫：

TJ_模擬=T模擬@25℃+6.4℃

故實測推算的結(jié)溫：

TJ_實測=T實測@25℃+6.4℃

圖8熱電偶的連接方法

3.5結(jié)溫比較

通過比較發(fā)現(xiàn)模擬和實測的結(jié)果符合良好，總體誤差為5.6%；模擬結(jié)果比實際測量的溫度偏高，其中豎直擺放工況的誤差偏大。

圖9

3.6誤差分析

對于豎直工況誤差略大一些，其余工況符合良好，對于誤差分析如下：

自然風：在實際測量環(huán)境中，由于實驗室內(nèi)人員的走動，直流電源內(nèi)部散熱風扇吹出的風都會導致實驗環(huán)境空氣存在一定的風速，導致實驗測量的溫度比模擬結(jié)果略高。而對于豎直放置的工況，影響尤其明顯，故誤差較大。

輻射系數(shù)：散熱器的輻射系數(shù)無法測量，模擬采用的是經(jīng)驗的0.27計算，可能會造成一定的誤差。

4結(jié)語

通過計算機模擬驗證了根據(jù)傳熱學理論推算的翅片面積是滿足50W模組的散熱要求；通過計算機模擬考察了散熱器擺放位置及有無熱管對散熱能力的影響，發(fā)現(xiàn)熱管的加入對散熱能力有一定的提高，能使結(jié)溫下降2℃。而豎直擺放的工況是非常不利于散熱的。通過實測驗證了模擬的準確度，模擬結(jié)果會比實測值要偏高，誤差平均為5.6%。該精度證明了模擬對散熱器的設計具有重要的參考意義。根據(jù)以上結(jié)果，設計的散熱器能滿足50W LED的散熱要求。

參考文獻

[1]?；余桂英，朱旭平，胡錫兵.一種高功率LED射燈的?；散熱設計與實驗研究[J].半導體技術，2010，?；（5）.

[2]?；王爽，熊峰，楊潔翔，俞濤.藍光LED投光燈具高?；溫老化光電性能研究[J].半導體技術，2011，?；（1）.

[3]?；吳軍，李抒智，楊衛(wèi)橋，張建華.功率型LED散熱?；器的研究[J].半導體技術，2010，（10）.

[4]?；黃鈺期，俞小莉.緊湊式換熱器開孔翅片流動傳熱?；特性分析[J].化工學報，2009，（9）.

[5]?；李靜，呂國強，楊軍，賀兆昌，張文丙.一種帶散?；熱片的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的熱模擬與分析[J].真空?；電子技術，2010，（5）.

[6]?；魯祥友，華澤釗，劉美靜，程遠霞.基于熱管散熱?；的大功率LED 熱特性測量與分析[J].光電子激?；光，2009，（1）.

作者簡介：鐘弘毅（1983—），男，湖南永州人，供職于廣州廣日電氣設備有限公司，研究方向：LED及LED照明燈具、汽車照明。