能源研究与信息  2014, Vol. 30 Issue (2): 118-121   PDF    
引用本文
杨骏, 汪军, 翁鹏程, 张敬斋. LED散热情况研究[J]. 能源研究与信息, 2014, 30(2): 118-121.
YANG Jun, WANG Jun, WENG Peng-cheng, ZHANG Jing-zhai. Study on heat-release conditions of LEDs[J]. Energy Research and Information, 2014, 30(2): 118-121.
LED散热情况研究
杨骏, 汪军, 翁鹏程, 张敬斋    
上海理工大学 能源与动力工程学院, 上海 200093
收稿日期: 2013-09-28;
作者简介：杨骏（1989- ），男（汉），硕士研究生.研究方向：热能工程.E-mail：840660892@qq.com
摘要：在静态常温空气中的4种不同工况下对一款带有鳍片式散热器的LED进行了热学测试，对所得结果进行了对比分析，得到了LED功率与其底盘焊点温度之间的关系.在SolidWorks软件中建立了带有相同散热器的9颗LED灯具模型，借助热学仿真软件Flow Simulation用有限元法对其进行分析计算，由结果可知：中心LED温度最高，为64.31℃，周围8颗LED温度几乎相同，其平均温度为62.7℃，并推测了影响两者温差大小的因素.
关键词： LED     散热器     热学仿真     有限元法     热导率    
Study on heat-release conditions of LEDs
YANG Jun, WANG Jun, WENG Peng-cheng, ZHANG Jing-zhai    
School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
Abstract: The temperature of LED with fin type heat sink was tested under 4 different working conditions in free air.The relationship between LED power and the solder temperature is acquired after test result analysis.The model of 9 LEDs with the same heat sink was set up in SolidWorks,and it was solved in Flow Simulation which is a software for thermal simulation.The center LED has the highest temperature with a value of 64.31 ℃.The temperatures of the other 8 LEDs around are nearly the same,and their average temperature is 62.7 ℃.The reason of the temperature difference is analyzed.
Key words: LED     heat sink     thermal simulation     finite-volume method     thermal conductivity    

目前,大功率高亮度的发光二极管(LED)因其高发光效率、低能耗而发展迅速[1].与传统照明的光源相比,LED具有寿命长、节能、环保、抗冲击性好、无辐射、无电磁干扰、无有毒气体、发光效率高且易受控制等显著优点[2].LED发光是由于电子在能带间的跃迁过程中产生了光子,但是电子和空穴的无辐射复合产生晶格震荡,将很大一部分能量转化为热能.目前LED的发光效率大约为20%,大量的热量无法散发,使结温升高,进而降低了芯片的发光效率[3],减少了LED的寿命[4]. 1 LED灯具的基本结构

图 1为某一类型LED器件示意图[5].LED正常工作时,芯片所发出的热量传给FR-4基板,经过导热胶传递给散热器.通过散热器将大量热量散发到空气中,降低芯片温度.图 2为LED热传导器件的三维模型,FR-4基板上共有4颗规格完全相同的LED,分别将其命名为:LED1、LED2、LED3、LED4.图 3为市场上某一款鳍片式散热器.

图 1 LED器件示意图Fig. 1 The structure of LED component

图 2 LED器件的三维模型 Fig. 2 3D model of LED component

图 3 鳍片式散热器 Fig. 3 Fin type heat sink
2 LED散热性能实验 2.1 实验过程

将LED所在FR-4基板置于图 3所示的散热器中央,用适量导热胶匀抹在基板下表面与散热器上表面的结合处,以减少空气间隙造成的热阻.实验共包括4种工况,均通以0.45 A的直流电流,测试环境温度为25 ℃.工况1: LED1正常工作,总电压为2.93 V,功率为1.3 W;工况2: LED1和LED2均正常工作,总电压为5.801 V,单颗LED功率为1.3 W,LED总功率为2.6 W;工况3: LED1、LED2和LED3同时正常工作,总电压为8.687 V,总功率为3.9 W,单颗LED功率为1.3 W;工况4: LED1、LED2、LED3和LED4都正常工作,总电压为11.8 V,总功率为5.2 W,单颗LED功率为1.3 W.正常工作时,4颗LED为串联.使用T型热电偶分别测试4种工况下工作LED底盘焊点的温度. 2.2 实验结果分析及讨论

经实验测试得到4种工况下的LED温度如表 1所示.

由表 1可知,同一工况下,串联连接的LED由于型号规格相同,正常工作时,各颗LED的温度几乎相同.4种工况下工作LED的平均温度分别为34.06、37.86、41.82、46.03 ℃.LED总功率与LED平均温度的关系如图 4所示.由图可以看出,LED总功率与LED平均温度近似呈线性关系,工作LED的颗数越多,FR-4基板上每颗LED的温度也越高.

表 1 4种工况下的LED温度 Tab. 1 The LED temperature of 4 tests
3 LED的热学仿真模拟

近年来,随着计算机的迅速发展以及各种热学分析软件的兴起,采用有限元法分析LED的热分布已成为很多设计者的一种选择.采用该方法具有成本低、可靠性高等优点.以实验的散热器模型为基础,研究当LED颗数增加到9颗时,FR-4基板上LED的温度情况,其中每颗LED的间距和工作情况均保持不变,FR-4基板的厚度也保持不变,面积相应增大.

图 4 LED总功率与LED平均温度的关系Fig. 4 Relationship between LED power and LED average temperature
3.1 有限元法热分析理论

三维直角坐标系中瞬态温度场变量T(x,y,z,t)满足

式中:分别为沿x、y、z方向的温度梯度;λxx、λyy、λzz分别为x、y、z方向的热导率;q0为单位体积所生成的热量;ρ、c分别代表密度和比热容;dT/dt为温度随时间的变化率.

式中:Vx、Vy、Vz分别为x、y、z方向的媒介传导速率.

当进行稳态情况的分析时,,式(1)可以简化为

根据式(3)、边界条件以及初始条件,利用迭代法或者消去法求解,可得出热分析的结果[6]. 3.2 有限元模型的建立

在SolidWorks中建立LED灯具的几何模型,如图 5所示.仿真模型假设:每颗LED的输入功率为1.3 W,发光效率为20%,鳍片式散热器的热导率为210 W·m-1·K-1,环境温度为25 ℃.使用Flow Simulation软件对其进行热学分析.

图 5 9颗LED灯具的几何模型Fig. 5 Geometric model of a lamp with 9 LEDs
3.3 仿真结果及分析

通过计算,FR-4基板上LED的温度如图 6所示,与表 1中实验结果相比,仿真计算所得的9颗LED工作时的温度要比实验中4颗LED工作时所测得的温度高了近18 ℃.仿真结果显示,中心LED的温度略高于周围8颗LED的温度,其温度为64.31 ℃.从图 6中的温度云图可以看出,造成这一现象的原因是周围8颗LED发热与温升都影响了中心LED的换热.周围8颗LED温度几乎相同,平均温度为62.7 ℃,比中心LED低1.61 ℃,相差不多.因此,可推测温差的大小与LED的间距和LED本身的功率两者有关.

图 6 9颗LED灯具的热学仿真结果Fig. 6 The thermal simulation result of the lamp with 9 LEDs
4 结 语

通过实验,针对LED在同一款鳍片式散热器上的4种工况进行了温度测试.通过改变FR-4基板上工作LED的颗数,对比不同工况下所得的测试结果,得到了LED温度和LED总功率近似呈线性关系的规律.此外,在SolidWorks软件中建立了该散热器承载9颗LED及FR-4基板的灯具模型,使用Flow simulation热学分析软件计算得到了每颗LED的温度情况,并分析了造成此结果的原因.有限元热分析方法的使用对于灯具的设计有着重大作用,其具有一定的可靠性,能够有效地降低成本,减少产品的设计周期.

参考文献
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