一、LED照明產(chǎn)品熱仿真概述
1、數(shù)值計(jì)算方法
熱仿真是一種利用數(shù)值計(jì)算對(duì)流動(dòng)與傳熱問(wèn)題進(jìn)行求解的方法，是與試驗(yàn)(測(cè)試)和理論分析相并列的第三種分析方法。
數(shù)值計(jì)算就是把計(jì)算域內(nèi)有限數(shù)量位置(網(wǎng)格節(jié)點(diǎn))上的因變量值當(dāng)作基本的未知量，并根據(jù)需要求解的控制方程(微分方程)提供一組關(guān)于這些未知量的代數(shù)方程，以及求解這組方程的算法，從而在每一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上直接求解控制方程的方法。
電子產(chǎn)品熱仿真需要求解的控制方程主要包括質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)、動(dòng)量方程(運(yùn)動(dòng)微分方程)、能量方程以及求解湍流N-S方程所需要的補(bǔ)充方程等。
2、熱仿真軟件
理論上所有的CFD(Computational Fluid Dynamics：流體動(dòng)力學(xué))軟件都可以作為電子產(chǎn)品熱仿真的軟件。CFD軟件大體可以分為通用CFD軟件、工程化的CFD軟件和電子散熱專用熱仿真軟件三類。
一般情況下，通用CFD軟件(如FLUENT 等)對(duì)用戶的專業(yè)知識(shí)背景要求較高，并且軟件操作較復(fù)雜。電子散熱專用軟件是專門針對(duì)電子產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的熱仿真軟件，對(duì)用戶CFD專業(yè)知識(shí)背景要求較低，操作也較簡(jiǎn)單，并且提供了大量的電子散熱常用組件，這類軟件主要包括Flotherm 和Icepak 等。工程化的CFD軟件性能介于通用CFD軟件與電子散熱專用軟件之間，其采用工程化的操作界面，操作較簡(jiǎn)單，計(jì)算能力較強(qiáng)。如CFdesign和 FloEFD都能夠方便地導(dǎo)入CAD 模型，并且還增加了部分常用的電子散熱組件。
3、熱仿真的特點(diǎn)
熱仿真與熱測(cè)試的區(qū)別主要包括：
(1)熱仿真不需要樣品，所以可以在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前期預(yù)測(cè)產(chǎn)品方案的可行性；
(2)熱仿真邊界條件為理想的條件，如準(zhǔn)確的環(huán)境溫度及環(huán)境風(fēng)速等，而熱測(cè)試的環(huán)境溫度及風(fēng)速很難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制；
(3)考慮到計(jì)算的速度和精度，熱仿真模型需要對(duì)產(chǎn)品實(shí)際模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。
熱仿真的優(yōu)勢(shì)包括：
(1)不需要樣品，可以快速優(yōu)化方案；
(2)可以區(qū)分以不同方式(對(duì)流和熱輻射)傳遞的熱量，便于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行直觀的熱流分析及有針對(duì)性地改進(jìn)散熱設(shè)計(jì)。
另外，熱仿真與熱測(cè)試的條件及方法的差別導(dǎo)致熱仿真與熱測(cè)試的結(jié)果往往存在一定的偏差。所以，，熱仿真結(jié)果一般不作為散熱方案可行性的最終判據(jù)。并且，一味地追求熱仿真與熱測(cè)試結(jié)果的一致也是毫無(wú)意義、徒勞無(wú)功的。
二、LED照明產(chǎn)品熱仿真方法
1、熱仿真模型的建立及簡(jiǎn)化
熱仿真模型的建立包括幾何模型的導(dǎo)入或建立、環(huán)境變量(環(huán)境溫度、風(fēng)速、重力方向及大小等)設(shè)置、求解域大小設(shè)定、網(wǎng)格劃分、計(jì)算收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定、材料屬性(密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、表面的發(fā)射率，即熱輻射率等)定義、熱源設(shè)置等。熱仿真開(kāi)始前需要正確定義以上每一項(xiàng)內(nèi)容，以便得到正確的結(jié)果。
一般情況下，熱仿真模型都需要對(duì)產(chǎn)品的幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。因?yàn)橐恍┏叽巛^小的特征和零部件往往會(huì)極大地增加網(wǎng)格數(shù)量，不但增加計(jì)算量，而且會(huì)降低網(wǎng)格質(zhì)量，影響計(jì)算精度。這些小的特征和零部件對(duì)產(chǎn)品散熱的影響一般都較小，如果對(duì)散熱影響較大也可以通過(guò)估算的方式評(píng)估該影響。一般，需要進(jìn)行簡(jiǎn)化的特征及零部件主要包括：
(1)較小尺寸的特征：如螺紋、導(dǎo)角、非散熱的孔、翅片波紋等;
(2)較小尺寸的零部件：如螺絲、彈簧、卡扣等;
(3)較小熱流密度的接觸熱阻：如1W/cm2以下的接觸熱阻等(對(duì)于某些熱仿真軟件，如FloEFD等，軟件有提供模擬接觸熱阻的組件，可以采用接觸熱阻組件模擬接觸熱阻);
(4)熱源的簡(jiǎn)化：
對(duì)于LED照明產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，熱仿真主要分為系統(tǒng)級(jí)(照明產(chǎn)品)與封裝級(jí)兩個(gè)層級(jí)。系統(tǒng)級(jí)熱仿真，一般將LED簡(jiǎn)化為均勻的體熱源，計(jì)算出來(lái)的溫度作為L(zhǎng)ED管腳的溫度，LED的結(jié)溫需要利用LED的封裝熱阻及功率進(jìn)行計(jì)算;
LED封裝級(jí)的熱仿真是為了優(yōu)化LED封裝的結(jié)構(gòu)，減小LED的封裝熱阻，所以要考慮LED的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
2、熱仿真結(jié)果分析
熱仿真結(jié)果主要包括溫度、速度(流動(dòng))及熱流分布(熱量傳輸途徑)的結(jié)果。
對(duì)于模型中的溫度分布，主要注意模型中溫度梯度(溫差)較大的區(qū)域或者環(huán)節(jié)，以便改進(jìn)散熱設(shè)計(jì)。
LED燈具腔體內(nèi)的流場(chǎng)分布
圖2：某LED燈具腔體內(nèi)的流場(chǎng)分布
對(duì)于模型中的流場(chǎng)分布，主要注意流場(chǎng)中流動(dòng)較弱(流速較小)或流動(dòng)死區(qū)以及有回流發(fā)生的區(qū)域，以便改進(jìn)流道設(shè)計(jì)。
由于熱仿真方法可以區(qū)分以不同方式(對(duì)流和熱輻射)傳遞的熱量，所以將以不同方式傳遞的熱量分開(kāi)來(lái)，詳細(xì)分析產(chǎn)品的熱流分布規(guī)律，更有針對(duì)性地改進(jìn)散熱設(shè)計(jì)，也是熱仿真的一個(gè)重要內(nèi)容。
三、LED照明產(chǎn)品熱仿真案例
1、某LED吸頂燈散熱方案預(yù)測(cè)
(1)設(shè)計(jì)方案
圖3為一款LED吸頂燈的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是LED焊接在一組PCB板條上，PCB板條位于吸頂燈燈殼內(nèi)并懸空。LED的熱量全部通過(guò)熱輻射及腔體內(nèi)空氣的流動(dòng)傳輸?shù)綗魵?nèi)表面，然后通過(guò)導(dǎo)熱傳輸?shù)綗魵ね獗砻?，之后才能通過(guò)對(duì)流及熱輻射的方式進(jìn)行散熱。
LED吸頂燈設(shè)計(jì)方案
圖3：某LED吸頂燈設(shè)計(jì)方案
該例熱仿真的目的是為了初步驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案能否滿足LED散熱的要求。
(2)熱仿真模型
由于該LED吸頂燈結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，對(duì)其幾何模型稍作修改即可用來(lái)作為熱仿真模型(圖4)。
(3)熱仿真條件
環(huán)境溫度：25.0℃
熱輻射背景溫度：25.0℃
PCB(一種導(dǎo)熱玻璃纖維)導(dǎo)熱系數(shù)：2.0 W/m-K
塑料燈殼導(dǎo)熱系數(shù)：0.5W/m-K
燈殼及PCB表面熱輻射率：0.85
用均勻發(fā)熱體代替LED、驅(qū)動(dòng)、控制模塊
LED發(fā)熱量：LED功耗的85%
驅(qū)動(dòng)發(fā)熱量：輸入功率的10%
控制模塊發(fā)熱量：模塊輸入功率的10%
(4)熱仿真結(jié)果
圖5：熱仿真結(jié)果：溫度分布圖
熱仿真結(jié)果LED管腳最高溫度為48.6℃，假定LED熱阻為250℃/W，則LED的結(jié)溫約為：
48.6+250×0.06=63.6℃
熱仿真結(jié)果初步表明，該設(shè)計(jì)方案可以滿足LED散熱的要求。
需要注意的是，前文有提到由于熱仿真結(jié)果往往與熱測(cè)試結(jié)果存在一定偏差，熱仿真結(jié)果一般不作為產(chǎn)品散熱方案可行性的最終判據(jù)，所以該設(shè)計(jì)方案的可行性仍然需要通過(guò)對(duì)樣燈進(jìn)行熱測(cè)試來(lái)驗(yàn)證。
2、某LED射燈散熱器的優(yōu)化
(1)熱仿真模型
如圖6 所示為某LED射燈熱仿真模型1，該模型主要用來(lái)改進(jìn)散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以取得最佳的散熱性能。本例影響散熱器散熱效果的主要是散熱器的“翅片數(shù)量”及“基體厚度(散熱器空心圓柱的壁厚)”，所以下面將對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
圖6：LED射燈熱仿真模型1
(2)熱仿真條件
環(huán)境溫度：25.0℃
熱輻射背景溫度：25.0℃
LED熱源模型用紫銅(導(dǎo)熱系數(shù)：398W/m-K)圓柱模塊代替，發(fā)熱量4.25W
LED基座和散熱器采用鋁合金AA6063(導(dǎo)熱系數(shù)：201W/m-K)，基座外圓柱面與散熱器內(nèi)圓柱面貼合，不考慮兩者之間的接觸熱阻。
散熱器表面采用陽(yáng)極氧化處理方法，熱輻射率設(shè)為：0.55
(3)熱仿真結(jié)果
表1：散熱器翅片數(shù)量的優(yōu)化結(jié)果
圖7：LED基座最高溫度及散熱器重量隨散熱器翅片數(shù)量的變化
圖7可以看出：散熱器翅片數(shù)量為20時(shí)，LED基座最高溫度較低，散熱器的效果較好。
以下對(duì)散熱器基體厚度進(jìn)行優(yōu)化，散熱器內(nèi)孔孔徑不變，翅片外圍直徑不變，僅改變散熱器基體的厚度，對(duì)模型進(jìn)行熱仿真得到LED基座最高溫度見(jiàn)表2。
表2：散熱器基體厚度的優(yōu)化結(jié)果
圖8：LED基座最高溫度及散熱器重量隨散熱器基體厚度的變化
圖8可以看出：散熱器基體3.0mm時(shí)，LED基座溫度最低。
綜上，散熱器翅片數(shù)量取20，基體厚度取3.0mm，散熱器的質(zhì)量較輕，效果較好。
另外，散熱器自身的溫升代表了散熱器溫度均勻性，即散熱器自身的熱阻或者效率。該值越小，散熱器的熱阻越小、效率越高。該值可以作為散熱器設(shè)計(jì)的重要參考標(biāo)準(zhǔn)之一，另外散熱器表面的對(duì)流傳熱系數(shù)、輻射換熱系數(shù)等值也是散熱器設(shè)計(jì)的參考標(biāo)準(zhǔn)。
3、環(huán)境溫度對(duì)LED照明產(chǎn)品散熱的影響分析
由于LED照明產(chǎn)品大多采用自然對(duì)流冷卻方式。相對(duì)于強(qiáng)制對(duì)流冷卻方式，自然對(duì)流冷卻的電子產(chǎn)品其輻射換熱量所占比例較大。由于輻射換熱量與熱源及冷源頭絕對(duì)溫度4次方的差值成正比，所以環(huán)境溫度對(duì)熱輻射影響較大。本例將利用熱仿真方法分析環(huán)境溫度對(duì)自然對(duì)流冷卻的LED照明產(chǎn)品散熱的影響，同時(shí)該案例還可以清晰地表明熱仿真方法可以分別考慮對(duì)流及輻射傳熱的重要優(yōu)勢(shì)。
(1)熱仿真模型
本案例熱仿真模型LED射燈熱仿真模型2，與前面LED射燈熱仿真模型1基本相同，不同的只是模型2在模型1的基礎(chǔ)上增加了上、下端蓋(如圖9所示)。模型2中上、下端蓋材料為塑料，導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)為0.2W/m-K。
LED射燈熱仿真模型
圖9 ：LED射燈熱仿真模型2
(2)熱仿真結(jié)果分析
改變LED射燈熱仿真模型2中的材料發(fā)射率，進(jìn)行熱仿真，結(jié)果如表3所示。
(1)對(duì)于Case1 ，材料表面發(fā)射率為0，即不考慮熱輻射。此時(shí)，隨著環(huán)境溫度的升高，熱源(即LED熱源模塊)與環(huán)境間的溫差有所增大。原因是由于隨著環(huán)境溫度的升高，空氣的屬性會(huì)有一定的變化，會(huì)引起對(duì)流傳熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的降低。
(2)隨著環(huán)境溫度的升高，照明產(chǎn)品外表面輻射換熱量逐漸增大，輻射換熱有所強(qiáng)化，輻射換熱量占熱源總熱量的比例逐漸增大(圖10)。原因是輻射換熱量與熱源及冷源(即環(huán)境)絕對(duì)溫度4次方的差值成正比。所以，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，熱源溫度的升高相對(duì)較少，結(jié)果是熱源與環(huán)境的溫差有所減小。
圖10：輻射換熱量占熱源總熱量的比例
(3)環(huán)境溫度升高時(shí)，對(duì)流傳熱減弱會(huì)引起熱源與環(huán)境的溫差稍微有所增大;但是另一方面輻射換熱的增強(qiáng)會(huì)引起熱源與環(huán)境的溫差減小。熱仿真結(jié)果表明在輻射換熱量所占比例小于35%的情況下，熱源與環(huán)境之間的溫差的變化可以忽略不計(jì)。
四、結(jié)論
熱仿真技術(shù)由于其快速、便捷等特有的優(yōu)勢(shì)在電子產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。熟練掌握熱仿真的基本原理和方法對(duì)于電子產(chǎn)品及LED照明產(chǎn)品的散熱設(shè)計(jì)是十分必要的。
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