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)算對流動(dòng)與傳熱問題進(jìn)行求解的方法，是與試驗(yàn)(測試)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)對用戶的專業(yè)知識背景要求較高，并且軟件操作較復(fù)雜。電子散熱專用軟件是專門針對電子產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)開發(fā)的熱仿真軟件，對用戶CFD專業(yè)知識背景要求較低，操作也較簡單，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)品開發(fā)前期預(yù)測產(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，熱仿真模型需要對產(chǎn)品實(shí)際模型進(jìn)行簡化。
熱仿真的優(yōu)勢包括：
(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(對流和熱輻射)傳遞的熱量，便于對產(chǎn)品進(jìn)行直觀的熱流分析及有針對性地改進(jìn)散熱設(shè)計(jì)。
另外，熱仿真與熱測試的條件及方法的差別導(dǎo)致熱仿真與熱測試的結(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試結(jié)果的一致也是毫無意義、徒勞無功的。
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產(chǎn)品的幾何模型進(jìn)行簡化。因?yàn)橐恍┏叽巛^小的特征和零部件往往會極大地增加網(wǎng)格數(shù)量，不但增加計(jì)算量，而且會降低網(wǎng)格質(zhì)量，影響計(jì)算精度。這些小的特征和零部件對產(chǎn)品散熱的影響一般都較小，如果對散熱影響較大也可以通過估算的方式評估該影響。一般，需要進(jìn)行簡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)熱源的簡化：
對于LED照明產(chǎn)品來說，熱仿真主要分為系統(tǒng)級(照明產(chǎn)品)與封裝級兩個(gè)層級。系統(tǒng)級熱仿真，一般將LED簡化為均勻的體熱源，計(jì)算出來的溫度作為LED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)的流場分布
圖2：某LED燈具腔體內(nèi)的流場分布
對于模型中的流場分布，主要注意流場中流動(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來，詳細(xì)分析產(chǎn)品的熱流分布規(guī)律，更有針對性地改進(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
(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，然后通過導(dǎo)熱傳輸?shù)綗魵ね獗砻妫蟛拍芡ㄟ^對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)較簡單，對其幾何模型稍作修改即可用來作為熱仿真模型(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對樣燈進(jìn)行熱測試來驗(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，對模型進(jìn)行熱仿真得到LED基座最高溫度見表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)品大多采用自然對流冷卻方式。相對于強(qiáng)制對流冷卻方式，自然對流冷卻的電子產(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溫度4次方的差值成正比，所以環(huán)境溫度對熱輻射影響較大。本例將利用熱仿真方法分析環(huán)境溫度對自然對流冷卻的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流及輻射傳熱的重要優(yōu)勢。
(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，空氣的屬性會有一定的變化，會引起對流傳熱的表面?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)，對流傳熱減弱會引起熱源與環(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)勢在電子產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。熟練掌握熱仿真的基本原理和方法對于電子產(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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