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一種新的光源系統(tǒng)研發(fā)即熱仿真簡(jiǎn)化LED光源的研發(fā)

2011-05-20

                                      一種新的光源系統(tǒng)研發(fā)即熱仿真簡(jiǎn)化LED光源的研發(fā)
　　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)將熱量小化或?qū)墓庠椿蛟O(shè)備分離熱量的方法。然而led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LED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)LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。

　　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。
　　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，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)。

　　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
　　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。

　　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（熱）到藍(lán)（冷卻），在這兩個(gè)極端之間存在橙色和綠色。
    轉(zhuǎn)移熱量

　　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)崃繌腖ED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。

　　圖5提供了另外一些信息。這張是圖1的實(shí)體模型中LED以及外殼整體組件的熱梯度圖。圖例提供了溫度的詳細(xì)信息。依據(jù)這些信息，容易做出判斷，比如觸摸溫度是否在安全范圍內(nèi)。
　　總結(jié)
　　同步CFD仿真/分析流程如Mentor Graphics公司的FloEFD軟件，對(duì)于改善設(shè)計(jì)概念是不可或缺的。與創(chuàng)建實(shí)物樣品和測(cè)試樣品相比，它要便宜很多；而同步CFD中創(chuàng)建的自動(dòng)流程意味著，第一次評(píng)估的周期準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單，而對(duì)之后每一次的仿真，操作起來則更快捷。提倡在設(shè)計(jì)完全和的確被優(yōu)化后，再建立實(shí)物樣品，是一種環(huán)境走勢(shì)。同步CFD能用來快速?zèng)Q定鐘型外罩的更佳開槽數(shù)目，以及各槽之間金屬的厚度，從而將熱量擴(kuò)散到環(huán)境的數(shù)量大化。