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          熱仿真簡(jiǎn)化LED光源的研發(fā)

          作者: 時(shí)間:2011-07-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            簡(jiǎn)介

            任何一種形式的電氣照明產(chǎn)品都產(chǎn)生一種負(fù)產(chǎn)品:熱。從白熾光源到熒光照明,代代工程師都在研發(fā)將熱量最小化或?qū)墓庠椿蛟O(shè)備分離熱量的方法。然而照明,目前正以不斷提高的質(zhì)量和不斷增加的形式,帶來了新的和不同的挑戰(zhàn)。

            熱量的發(fā)展會(huì)降低光輸出,引起顏色的改變,同時(shí),縮短元件的使用壽命。據(jù)說,熱管理是到目前為止,對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的方面。從一個(gè)工程師的角度而言,這意味著要學(xué)習(xí)跨越結(jié)構(gòu)和電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域常用的工具,要熟悉結(jié)構(gòu)和電子設(shè)計(jì)范疇之外的流程。幸運(yùn)的是,現(xiàn)在已經(jīng)有熱設(shè)計(jì)解決方案,在熱驗(yàn)證和測(cè)試挑戰(zhàn)方面,能幫助簡(jiǎn)化工程師的設(shè)計(jì)之路。

          熱仿真簡(jiǎn)化LED光源的研發(fā)

            驗(yàn)證設(shè)計(jì)概念

            研發(fā)一種新的光源系統(tǒng)時(shí),必須驗(yàn)證最基礎(chǔ)的產(chǎn)品概念,使結(jié)構(gòu)方面和美學(xué)方面的想法與熱性能的實(shí)際需要能統(tǒng)一。

            成功的LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵是將活動(dòng)設(shè)備的熱量有效地從它的PN結(jié)轉(zhuǎn)移到環(huán)境。焊接LED的PCB板和外殼都參與到熱流路徑中。設(shè)計(jì)工程師必須確定,外殼和護(hù)罩在轉(zhuǎn)移熱量方面表現(xiàn)出效率。制造和測(cè)試系列實(shí)物樣品來驗(yàn)證這一點(diǎn)是昂貴的,并且需要的時(shí)間多,因此,近日的設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)早期階段一般采用基于軟件的方法。

            比較受歡迎的方法是使用計(jì)算流體力學(xué)(CFD=Computational Fluid Dynamics)分析,以虛擬的方式模擬計(jì)劃中的設(shè)備。對(duì)于早期設(shè)計(jì)概念而言,這個(gè)方法比建立實(shí)物樣品要靈活很多,并且一樣有效。虛擬模型將特性很好指出后,實(shí)物樣品就可在此基礎(chǔ)上明確哪些可行,哪些不可行。一直以來,CFD仿真都是由一些具備有高級(jí)數(shù)據(jù)和流體力學(xué)背景的分析人士來操作,它要求執(zhí)行分析的人員掌握復(fù)雜的CFD建模工具。

            最新的發(fā)展將CFD技術(shù)帶到了結(jié)構(gòu)工程師的桌面,極大地簡(jiǎn)化和加快了分析。新的流程,即同步CFD,將準(zhǔn)備和執(zhí)行仿真分析要求的大部分工作步驟自動(dòng)化。使用無縫集成在通用MCAD環(huán)境,比如Pro/ENGINEER?,使得結(jié)構(gòu)工程師能對(duì)一個(gè)新光源設(shè)計(jì)建立虛擬仿真模型,并檢測(cè)散熱性能。

            一款無縫集成的同步CFD應(yīng)用比如Mentor Graphcis公司的FloEFD?軟件:

            ––通過直接使用MCAD模型,使用在MCAD應(yīng)用中所保存的設(shè)計(jì)的尺寸和物理特征

            ––檢測(cè)流體區(qū)域和固體區(qū)域,并為這些區(qū)域劃分網(wǎng)格,創(chuàng)建高級(jí)自動(dòng)網(wǎng)格

            ––幫助工程師設(shè)置邊界條件

            ––自動(dòng)提供求解控制設(shè)置,在求解器計(jì)算時(shí)幫助確定收斂

            設(shè)計(jì)驗(yàn)證的底線,不論產(chǎn)品是一款新光源,還是對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行修改,都應(yīng)是詳細(xì)了解LED設(shè)備的熱表現(xiàn)。如果在研發(fā)的新LED燈具中,放置已有的設(shè)備,那么詳細(xì)了解熱表現(xiàn)也非常重要,因?yàn)閷⒃b置的散熱性能與燈具配套是關(guān)鍵。

            熱數(shù)據(jù)應(yīng)該從LED供應(yīng)商手中獲取,盡管在目前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中缺乏這些信息,在印刷的產(chǎn)品規(guī)格中,提供的信息通常不夠全面。比如,熱性能數(shù)據(jù)通常會(huì)提供,但是它也許不包括工作溫度范圍,最終用戶系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)的溫度在哪個(gè)范疇。然而,設(shè)計(jì)工程師必須依靠LED制造商提供的數(shù)據(jù)或簡(jiǎn)約模型來執(zhí)行光源評(píng)估,或公司內(nèi)部測(cè)試,或開始早期光源設(shè)計(jì)。

          LED光源的MCAD模型

          圖1:的MCAD模型(點(diǎn)擊圖片放大)

            流程從光源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始。圖1展示的是原始設(shè)計(jì)步驟。描述的系統(tǒng)包含了一個(gè)整體接頭(圖中黃色部分),它連接燈具的外罩,燈具外罩的鰭片起著散熱器的作用。接頭插在一個(gè)套接座上,設(shè)計(jì)套接座有時(shí)候是讓它能進(jìn)一步傳導(dǎo)熱量,作為散熱系統(tǒng)的一部分。然而,在這個(gè)特殊的系統(tǒng)中,套接座只是支撐和連接燈具的一個(gè)工具。光源是一個(gè)功率LED,它安裝在一個(gè)金屬芯PCB上。在圖1中,燈具長(zhǎng)度省略了,這是為了更好的展示LED的詳細(xì)信息。

            使用同步CFD工具,準(zhǔn)備熱分析的工作就能非常高效地進(jìn)行。同步CFD應(yīng)用產(chǎn)品是無縫集成在MCAD環(huán)境中的,所以光源的尺寸和物理特性就已經(jīng)存在于CFD應(yīng)用中了。具體就如圖1中所展示的。

            如果有需要時(shí),CFD工具也自動(dòng)模擬分析中需要處理的流體區(qū)域中存在的內(nèi)部空穴。這種需求,在處理管道內(nèi)流體的問題時(shí),更為常見。對(duì)于通過光源的氣流以及光源周圍的氣流,這個(gè)應(yīng)用中我們需要關(guān)注。

            創(chuàng)建計(jì)算網(wǎng)格

          燈具組件中心切面的計(jì)算網(wǎng)格

          (點(diǎn)擊圖片放大)

          圖2:燈具組件中心切面的計(jì)算網(wǎng)格

            內(nèi)部溫度及它們的分布是熱分析中關(guān)注的重點(diǎn),同步CFD應(yīng)用(同樣還是使用MCAD數(shù)據(jù))能顯示任何二維面,提供橫截面視圖,展示光源的內(nèi)部情況。然而,首先卻是要?jiǎng)?chuàng)建計(jì)算網(wǎng)格,如圖2。同步CFD自動(dòng)執(zhí)行這一步驟。

            在這里網(wǎng)格只是一個(gè)概念,然而,網(wǎng)格是復(fù)雜的CFD計(jì)算的核心。設(shè)備表面分布著小的矩形單元,每一個(gè)都跨越在實(shí)體和流體間,分開的區(qū)域被單獨(dú)計(jì)算。之后程序生成混合結(jié)果,將所有網(wǎng)格包含在內(nèi)。

            注意到在圖2中,網(wǎng)格單元尺寸不一。與外罩外圍的網(wǎng)格相比,簇集在LED周圍的網(wǎng)格尺寸更小。這是因?yàn)楦呒?jí)的同步CFD技術(shù)為需要更高網(wǎng)格精度
          的區(qū)域自動(dòng)提供更細(xì)密的網(wǎng)格。

            接下來,工程必須定義邊界條件,它們是在計(jì)算中要用到的設(shè)備的工作參數(shù)和限制。必須設(shè)定外部環(huán)境溫度,以及LED設(shè)備的功率,CFD分析的多次迭代中將使用到。

          LED燈具

          (點(diǎn)擊圖片放大)

            圖3:通過燈具中心二維面的溫度,以及矢量,顯示由燈具外部自然對(duì)流引起的流動(dòng)。在該圖和其他相關(guān)云圖中的矢量使用Mentor Graphics公司的FloEFD軟件計(jì)算的。FloEFD是經(jīng)市場(chǎng)證明了的同步CFD產(chǎn)品,無縫集成在MCAD環(huán)境,直接使用結(jié)構(gòu)模型的CFD工具。

            圖3顯示的是橫切面的CFD計(jì)算結(jié)果。它不僅顯示了熱量在燈具實(shí)體部件的分布,也顯示了與燈具外部對(duì)流的氣流矢量。這個(gè)案例中的三維圖適合可視化內(nèi)部情況,但是流動(dòng)矢量適合二維平面。這個(gè)視圖中,顏色從紅(最熱)到藍(lán)(最冷卻),在這兩個(gè)極端之間存在橙色和綠色。

          轉(zhuǎn)移熱量

          LED燈具

          (點(diǎn)擊圖片放大)

            圖4:整個(gè)燈具面朝下時(shí)的粒子跡線,顯示的是自然對(duì)流如何在燈具外罩的外部引起空氣的流動(dòng)。隨著燈具上部流動(dòng)加速,“熱煙”減少。(注意:為方面閱讀,本圖中的溫度圖例被放大。)

            當(dāng)然,分析的目的是為了確定計(jì)劃的設(shè)計(jì)能夠?qū)崃繌?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/LED光源">LED光源轉(zhuǎn)移,并能安全地將熱量帶到環(huán)境中。圖4,是另外一張同步CFD的視圖,對(duì)這個(gè)問題提供了重要的答案。在這張圖中,粒子示蹤的氣流路徑,像是很小的除塵器。同樣,這里顏色代表了熱分布,不過這張圖中,顏色對(duì)應(yīng)了數(shù)值。注意這個(gè)流動(dòng)型態(tài):藍(lán)(冷)空氣從下面進(jìn)入,在經(jīng)過光源時(shí)被加熱成藍(lán)綠色。對(duì)流將加熱的空氣往上方帶,并帶走加熱的空氣。這對(duì)燈具而言,散熱是否足夠,以及在最終設(shè)計(jì)中是否還會(huì)有其他外罩?這個(gè)問題只有設(shè)計(jì)工程師能回答,但是同步CFD分析已經(jīng)提供了數(shù)據(jù),幫助做出判斷。

          轉(zhuǎn)移熱量

          LED燈具

          (點(diǎn)擊圖片放大)

            圖4:整個(gè)燈具面朝下時(shí)的粒子跡線,顯示的是自然對(duì)流如何在燈具外罩的外部引起空氣的流動(dòng)。隨著燈具上部流動(dòng)加速,“熱煙”減少。(注意:為方面閱讀,本圖中的溫度圖例被放大。)

            當(dāng)然,分析的目的是為了確定計(jì)劃的設(shè)計(jì)能夠?qū)崃繌?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/LED光源">LED光源轉(zhuǎn)移,并能安全地將熱量帶到環(huán)境中。圖4,是另外一張同步CFD的視圖,對(duì)這個(gè)問題提供了重要的答案。在這


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