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热仿真技术在LED照明产品设计中的应用 王劲 刘乃涛 梁秉文 （南京汉德森科技股份有限公司） 摘要 随着高光通量LED在照明领域的逐渐推广，单个LED产品的功率越来越大，热设计已经成为确定产品方案时必须考虑的重要因素。同时，设计人员必须在产品性能保证的前提下尽快确定合理的方案。在这种情况下，引入快速、高效的仿真技术十分必要。本文以一个实例介绍了如何利用热仿真技术对LED照明产品的设计进行分析，并确定最佳产品设计方案的过程。 关键词 热仿真 温升 LED 照明 前言 随着高光通量LED在照明领域的逐渐推广，单个产品的功率越来越大，这对产品的热设计提出了很高的要求，高光通量LED应用的瓶颈之一即是散热问题，如果散热问题得到合理的解决，LED的应用范围将会更广。传统的散热设计依靠手工计算，设计方法过于简单而且耗时，结果也很难满足设计要求，在产品设计周期日益缩短的市场环境下，已经不能适应现代化产品的设计要求。在激烈的竞争压力下，企业迫切需要可靠性高、成本低且周期短的设计方法。 计算机辅助工程（CAE）的引入有效地缩短了新产品的研发周期。例如在热学设计方面，在产品设计之初即将设计模型引入CAE软件中，在边界上施加与实际大致相符的边界条件，计算其温度场的分布，以此来对不同的方案进行选择。这种虚拟的方法相当于用计算机来做热试验，并且具备快速、直观的特点，可以提供更多的数据，为产品的优化设计提供必要的支持。 本文以一个实例介绍利用热仿真技术对产品的设计进行仿真分析，通过分析比较挑选出适合设计方案的整个过程。 1 产品的设计方案 本案例是依据客户要求，设计一款3W射灯，体积有一定的限制，30℃环境温度下使用，表面温度不超过55℃。 由于对体积有限制，经过多次论证， 确定有三种设计选择，在此分别称为方案a、b和c。这三种设计方案的内部机械结构如图1所示： 1—上端盖 2—LED放置板 3—驱动电路位置 4—下部散热端 图1 射灯内部结构 在此结构中，上端盖1与下部散热端4之间、LED放置板与下部散热端之间都以螺纹连接。为减小界面间接触热阻，螺纹间涂以导热胶。 方案a、b和c外部结构如下： 方案a：采用压铸成型，上下端盖无翅片，该方案模具简单，费用低，生产周期短。由于对称性关系，计算模型取其一半原形，计算模型见图2。 图2 方案a的计算模型 方案b：采用压铸成型，上端盖无翅片，该方案模具简单，费用低，生产周期短。由于对称性关系，计算模型取其一半原形，计算模型见图3。 图3 方案b的计算模型 方案c：采用压铸成型，上下端盖都有翅片，该方案模具较复杂，开模费用高，生产周期较长。由于对称性关系，计算模型取其一半原形，计算模型见图4。 图4 方案c的计算模型 根据产品的结构特点，在对其进行仿真分析时，我们主要考虑以下几个问题： 外壳温度最高点在那一部分？ LED放置处底部温度最高为多少？ 外形结构是否满足热流分布要求？ 为得出以上问题的答案，我们假设了静止空气对流边界条件，并且在LED与散热片间引入了界面接触热阻，根据以前的测试数据，接触热阻为5℃/W。 2 方案a的仿真分析 计算结果如下图： 图a-1） 整体温度分布图 图a-2） 上端盖温度分布图 图a-3） 下端盖温度分布图 3 方案b的仿真分析 图b-1） 上端盖温度分布图 图b-2） 上端盖温度分布图 图b-3） 上端盖温度分布图 4 方案c的仿真分析 图c-1） 上端盖温度分布图 图c-2） 上端盖温度分布图 图c-3） 下端盖温度分布图 仿真结果及热流分析 三种方案温度如下表1： 方案a 方案b 方案c LED 底部温度 79℃ 61℃ 59℃ 上端盖最高温度 63.2℃ 46.1℃ 44.5℃ 下端盖最高温度 67.2℃ 48.7℃ 47.6℃ 表1 各参考点温度 由表1可见，方案a各参考点温度最高，方案c各参考点温度最低。 为更进一步确定各设计方案的合理性，下面再以热流分布来分析热流设计之合理性。热流分布模型分别如图5、图6、图7所示。 图5 方案a的热流分布模型 图6 方案b的热流分布模型 图7 方案c的热流分布模型 从图5、图6、图7可得出如下结论： 绝大部分热流从LED放置片传至下端盖。 上下端盖分布翅片有利于热流分布均匀。 6 结论 由以上分析可见，方案a因表面温度过高，不满足客户要求，因此被否决。方案b和方案c表面温度都满足要求，但由热流模型可知，大部分热流流向下端盖，因此上端盖处开散热槽对其散热能力并无太大的帮助。这一点从其温度分布图也可以看出来，方案b和方案c的温度差在2℃之内。但由于方案c在上端盖处加了散热槽，从而使模具制造时间及成本都有所增加。因此选择方案b作为最终方案。 从本文可以看