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211、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。
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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。
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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B10，L70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，DS51
Luxeon 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
