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211、985硕士#xff0c;从业16年
从…作者简介科技自媒体优质创作者个人主页莱歌数字-CSDN博客公众号莱歌数字B站同名个人微信yanshanYH211、985硕士从业16年从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域。熟练运用Flotherm、FloEFD、XT、Icepak、Fluent等ANSYS、西门子系列CAE软件解决问题与验证方案设计十多年技术培训经验。专题课程Flotherm电阻膜自冷散热设计90分钟实操Flotherm通信电源风冷仿真教程实操基于FloTHERM电池热仿真瞬态分析基于Flotherm的逆变器风冷热设计零基础到精通实操站在高处重新理解散热。更多资讯请关注B站/公众号【莱歌数字】有视频教程~~本期给大家带来的是关于LED热管理解决方案设计与仿真分析研究内容希望对大家有帮助。之前做过关于LED灯具的产品开发项目主要负责结构、热设计部分今天结合此项目的基本情况扩展一些理论方面的内容分享给大家。全套视频教程可在B站莱歌数字 进行观看关注、点赞加收藏谢谢复制下方链接到浏览器即可。观看链接https://www.bilibili.com/cheese/play/ss27772首先我们将讨论照明系统的环境。然后我们查看系统的冷却需求和各种用于确认LED热需求得到满足的分析。文章最后对分析、数值计算、实验测试研究结果进行了比较。基于led的照明系统要求一个基于led的低射灯安装在天花板的中空开口中并提供向下方向的集中照明输出。需要进行热管理分析来设计一种LED系统的自然冷却方法。这个照明环境如图1所示图1.一个典型的LED环境产品要求LED的使用寿命与其结温度和正向电流有关。LED灯包括三个冷白色K2LED正向电流为1000 mA。这些冷白色LED的最大工作结温为150ºC。这个筒灯的使用寿命需要6万小时。图2显示了在不同正向电流、结温度和寿命条件下的冷白色LED这意味着在特定的寿命下10%的LED预计在指定的结温度和正向电流下失效。故障标准是当LED的光输出减少到原灯熄灭的70%时。为了在B10L70条件下达到60,000小时的使用寿命特定正向电流下所需的保持结温度如表1所示。表1.达到60,000小时寿命的K2LED的结点温度。从表1可知当正向电流为1000 mA时结点的温度需要保持在124ºC以下以达到60,000小时的使用寿命。在最高温度条件下当环境温度为40ºC时结温必须小于150ºC。热管理分析寿命和最高温度条件以前已经确定现在对每个条件热管理进行分析。这是一种置信度分析旨在建立所有工程阶段中所有未知因素的安全裕量包括假设分析、数值CFD和实验三个部分。假设分析基于分析中的未知数以及经验相关性和实验相关性的不足提出了为了进行分析而做的假设。2.数值或CFD分析a.为做分析而做出的未知数和假设b.数值仿真的不足之处3.实验a.不合规的热电偶位置b.热电偶响应中的变量c.速度探头校准过程中的误差d功率输入测量方程1用于置信水平分析其中Tj为所需的结温度CFL为正在应用的置信水平。另外Tj是指定的结温度Treference是参考或环境温度。在比较不同条件时ΔTcondition是使用所需的结温和参考温度之间的温差。表2.不同类型分析的置信系数水平CFL本研究采用了90%的置信水平。重新排列方程1得到方程2。将寿命条件应用于方程2确定了寿命条件的温差。最大温差也可以确定如下式所示。从公式3和公式4来看寿命条件是最严重的条件。重新排列方程1得到方程5应用于寿命条件得到了方程6。因此在20ºC的环境条件下通过不同的分析来确定的结温度必须小于113.3ºC。假设分析假设LED结温为108ºC所需的正向电流为1000 mA。发光效率为9.4%输入功率Pe为3.53 W。发光效率是LED发出的发光功率Pl与输入功率Pe的比率。这也由方程7给出它可以按方程8所示的形式重新排列。考虑图3中LED电力输入时Pe进入控制体积而散热Qj和发光功率Pl离开控制体积。对控制体积应用能量平衡得到公式10。重新排列方程10得到方程11将方程8代入11得到方程12。重排式方程12给出了方程13因为方程13的所有其他值都已知所以可以计算出LED所散发的热量。标准的FR-4板可用于损耗高达0.5 W的led但更高级别的需要金属基板。由于LED的散热量为3.2 W因此采用了金属芯板型PCB。铝基板的相关文章请参考之前的文章铝基板散热设计规范及应用案例图4是LED连接到散热器的示意图LED的热量在散热器之前的热传递情况并且其是一个串联的热阻路径。图4.散热器至LED结及其相应的热阻图。金属芯板的有效的平面内导热系数可以用公式15来计算出来如所述其中t是PCB的总厚度t c,i和t g,i是铜和玻璃环氧树脂或预浸料/电介质层的厚度kc和kg分别为铜和玻璃环氧树脂的热导率公式15可以被修改为公式16所示另外每层的覆盖率也可以考虑到因子βi其中t AL为铝的厚度kAL为铝的导热系数。PCB的材料性能如表3所示。表3. PCB材料特性利用前面提到的扩散热阻计算和有效的平面内导热系数方法结合PCB的材料性能计算出金属芯板中的扩散热阻R金属芯为1 K/W。考虑图4中所示的从结点到散热器底座的传热路径中的热阻是串联的而结-散热器的热阻是单个热阻的总和。利用一维微分形式的傅里叶热传导定律结和散热器之间的传热速率可以用方程17来表示。由于已知所需的寿命结温、LED耗散的热量以及从结到散热器的热阻因此可以重新排列方程17来计算散热器温度式18。因为散热器上有三个led所以散热器必须能够将3 x 3.2 W 9.6 W从80.34ºC的散热器温度转移到20ºC的环境中。使用图5所示的热阻图从散热器到环境之间的热阻可以用等式21计算出来。根据式22散热器的热阻必须小于6.28 K/W或者散热器必须能在60.34 K的温差下耗散9.6 W。对于分析模拟有两种方法可以确定散热器的热阻。首先是参考散热器的数据表在本研究中显示表明9.6 W在56.3K的温差下可以耗散见图6。这小于所需的63.4 K的温差。图6.R0散热器的实验结果第二种方法是使用散热器的解析模型其零件号为R0。分析分析的结果见表4。数值仿真结果根据分析结果建立了一个LED模型。在自由空气环境中进行了模拟讨论了自由空气环境的边界条件。数值分析结果见上表4。图7.LED分析的数值结果。实验结果建立了透射光的实验模型和测试验证假设分析和数值分析的结果。led采用正向电压法进行校准也称为电气法。在正向电压法中LED以感应电流进行校准。然后以1000 mA的正向电流进行测试。当达到稳态时测量感测电流下的结电压并通过校准曲线计算出结温度。给出了一个正向电压/电气测试方法的一个详细例子。图8.实验分析图像显示(a)、实验设置(b)和照明系统的红外图像(c)比较假设分析、数值和实验结果表4总结了LED照明系统的分析、数值和实验结果。从表中可以看出不同方法得到的结果均在10%以内具有较高的置信水平。计算得到的最大温差为93 K。并且实验的温度为87 K。这两个结果都低于寿命条件下所需的93.6 K。因此分析表明基于led的系统满足寿命温度条件。基于led的照明系统的最终产品如图9所示。图9.基于LED的筒灯总结本文介绍了一种基于LED的热管理系统讨论假设分析、数值计算和实验计算的分析方法并对不同的分析结果进行了比较。为了可靠性建议至少获得两个独立的结果这些结果的差异不超过20%。参考文献Luxeon K2技术数据表DS51Luxeon K2可靠性数据表RD06未来的电子产品可用的光工具www.futurelightingsolutions.com.LED冷却中的热挑战电子冷却杂志扩散热阻它的定义和控制印刷电路板的元件尺寸和有效导热率自然对流计算流体动力学模拟的边界条件测量LED结点温度