近年來，LED照明市場呈現(xiàn)爆炸性增長，這是由于受到多個因素的驅動，其中綠色立法和環(huán)境問題是zui重要的因素。LED比傳統(tǒng)光源(如白熾燈)效率高得多，比熒光燈更環(huán)保，不含汞，并且可以調整顏色和亮度。因此，LED用途很廣泛，可用于專業(yè)、工業(yè)和消費應用。但是，固態(tài)照明產品的設計是一個復雜的多學科問題。在這里，我們將重點討論散熱問題，以及熱模擬如何幫助開發(fā)團隊開發(fā)出可靠的、符合外形尺寸和性能的產品。
事實上，LED燈的使用壽命(通常在25000-50000小時之間)并不能*實現(xiàn)，固態(tài)照明產品性能有時會隨著時間的推移而退化。性能(光輸出的質量和數量、使用壽命、顏色維持和其他參數)與燈具或替換燈內的溫度密切相關。對于給定的環(huán)境，燈具的設計如何有效地消散內部產生的熱量與溫度直接相關。
1 設計挑戰(zhàn)
另外兩個相關因素也影響了LED照明的長期可靠性：用于LED驅動電路儲能的鋁電解電容器，以及市場需求驅動照明制造商創(chuàng)造更加緊湊的燈具。
除了機電部件如風扇之外，鋁電解電容器在許多電子電路中會限制使用壽命。電容器是電化學裝置，在正常操作期間，濕電解質逐漸用于重新形成氧化鋁介電層。 電容器zui終會變干，并造成災難性的后果。在高溫下，這個過程會加速。
在專業(yè)應用中，比如娛樂照明，就需要較小的照明裝置，這樣運輸和操作時更容易，在使用中也不那么突兀。在改造應用中，從路燈到家用筒燈，都需要將尺寸和形狀保持在老式照明技術所定義的范圍內。在定向照明的情況下，通常要包括在燈具內裝上電子驅動器電路、以及LED發(fā)射器模塊和透鏡。
2 適配驅動電路
LED驅動器電路需要將交流電網電壓轉換為低直流電壓來驅動LED，并確保以有效方式達到zui大輸出。盡管效率很高，LED芯片也會產生熱量；驅動電路中的元器件，特別是功率晶體管也會產生熱量。如果將所有發(fā)熱部件放置在狹小的空間中，以滿足物理設計的限制，那么變熱會很快，甚至超過LED結可承受的zui高100°C。
LED燈具設計師所面臨的挑戰(zhàn)是如何將所有這些東西都放在可用的空間中，同時確保成品內部和外部關鍵點的溫度保持在可接受的范圍內。這時候，熱模擬就能起到作用，特別是在整個設計過程中。
3 熱模擬的好處
以往，大部分設計和開發(fā)工作都是基于使用“經驗法則”從熱學角度計算一個特定組件、印刷電路板(PCB)或完整組件可能的表現(xiàn)。由于任何電子產品的設計和開發(fā)過程都是迭代的，所以在整個產品開發(fā)過程中必須重復計算。在每個階段，都需要糾正設計錯誤，甚至可能會漏掉熱點。每一項變更都會增加項目的時間和費用，增加在市場中失去時機的風險。
而且，這種方法的精度相對較差，設計人員不得不過度設計散熱管理。舉例來說，這可能意味著使用更大的散熱片，增加成品的尺寸和成本，甚至可能意味著在不需要風扇的情況下使用風扇，大大降低成品的“平均故障間隔時間”(MTBF)。 更可怕的是，成品生產出來之后，出現(xiàn)熱問題，繼而出現(xiàn)保修索賠、產品更換、品牌聲譽受損等。
因此，熱管理使工程師能夠設計更小、更經濟、性能更好、壽命更長的產品。熱模擬讓迭代設計更快，可以嘗試多種散熱管理的選擇，并zui終縮短產品上市時間。
3 在開發(fā)過程中模擬
在設計過程中，越早進行熱模擬，越能降低需要進行重大設計變更以克服可能出現(xiàn)的熱問題的風險。在整個項目中，電子、機械和熱工程師需要協(xié)同工作，以確保在設計過程中考慮到熱模擬的結果，并充分認識到設計變更對熱性能的影響。
在開始的時候，一個非常簡單的概念模型 - 其中所有的電子元件表示為一個集中的熱塊 - 可以用來確定是否有可能在規(guī)格的限制內使照明燈具冷卻。 產品的總功耗、尺寸、散熱器的尺寸以及風扇的氣流(如果要使用的話)代表了現(xiàn)階段所有可用的信息。
在下一階段，當初步產品設計已經建立時，熱建模工具需要以下信息：
• 組件的詳細信息及其在PCB上的位置
• zui重要組件的估計消耗
• 照明燈具外殼的大小輪廓
運行模擬之后，溫度曲線會突出顯示組件可能超出其zui大允許工作溫度的位置。
5 輸入數據影響結果
輸入數據越準確，模擬就越準確。初步模擬的結果可以引導PCB設計者和機械工程師朝可能有利于燈具熱性能的方面做出改變。隨著設計的發(fā)展，這個過程再次重復。
在生產原型之前，應該再次模擬此前提出的zui終設計。為了確保模擬的結果是準確的，需要更詳細的信息。 這包括：
• 燈具中元件的熱模型，這可以從元件制造商那里獲得
• LED燈具外殼的3D CAD模型，這可以以各種行業(yè)的標準格式導入到模擬工具中
•EDA軟件的PCB設計，這些可以使用行業(yè)標準格式(如IDF和IDX)導入
•PCB層內微量元素銅的細節(jié)
•燈具中所用材料的特性的信息
•根據工程計算，燈具內部器件功耗的數據
一旦原型完成，開發(fā)團隊通過測量物理溫度驗證模擬的準確性。在評估這些數據時，重要的是要考慮所使用測量設備的精度限制。這些可能是熱電偶、芯片上的傳感器或紅外傳感器，具體取決于應用。
6 熱模擬的準確性
Optimal Thermal Solutions BV的熱設計專家Norbert Engelberts使用熱模擬工具，開展了一系列LED的照明項目。*個是為歐洲市場設計一款LED燈替代60W白熾E27型A型燈。設計目標是用對流冷卻實現(xiàn)盡可能低的散熱片溫度，從而zui大限度地延長燈泡的使用壽命。隨著溫度的升高，運行壽命降低。使用熱建模來優(yōu)化散熱器設計，并且在評估zui終產品時，發(fā)現(xiàn)模擬到測量溫度的5%以內。
設計筒燈時也出現(xiàn)了同樣的精度。設計目標是確定可以使用的zui小的散熱片，同時確保LED結溫保持在100°C的極限內。測量溫度和模擬溫度之間的總體差異僅為4.6%。
Engelberts在路燈的開發(fā)中也使用了熱模型。這里面臨的挑戰(zhàn)是確保IP66密封外殼內的有效熱管理，其尺寸和形狀取決于要被替換的傳統(tǒng)燈泡的尺寸和形狀。 燈的重量是一個關鍵問題，所以散熱器需要保持在zui小的尺寸，而又不會影響產品的使用壽命。從zui初的設計到zui后的設計，燈內各點的平均溫度降低了19%，有些點降低了35%。zui終產品僅比傳統(tǒng)燈具重13%，但更可靠、更節(jié)能。
