LED照明设计中不可或缺的“热解决方案”
BETTINA 机械部

LED照明作为新一代照明受到了广泛的关注。仅仅依靠LED封装并不能制作出好的照明灯具。本文主要从电子电路、、光学等方面对如何运用LED特性的设计进行解说。

序

近年来，随着电子产品的高密度、高集成度，热解决方案的重要性越来越高，LED照明也不例外，也需要热解决方案。虽然白炽灯和荧光灯的能量损失大，但是大部分能量都是通过红外线直接放射出去，光源的发热少；而LED，除了作为可视光消耗的能量，其它能量都转换成了热。另外，由于LED封装面积小，通过对流和辐射的散热少，从而积累了大量的热。

热解决方案是？

接下来来考虑怎么制定热解决方案。热解决方案简单的说就是解决因为热产生的各种问题。主要有：

• 1. 因为热膨胀导致弯曲和龟裂
• 2. 电子电路的运行障碍
• 3. 材料品质恶化

除此之外，也会担心如果发热会不会损坏设备？为了避免这些问题，要尽量控制电子设备的温度，也就是说有效散热很重要，重点是考虑机器的使用环境和安装方法制定{zj0}的热解决方案。 下面列举了由热导致的问题。后半部分以LED灯为例，就LED相关的解决方案进行解说。

由热导致的问题

1.因为热膨胀导致弯曲和龟裂
电子设备由多个零件构成，每个零件的材质都不一样，热胀冷缩的尺度也不一样。因此，当各种材质组合在一起的时候就有可能使材质发生弯曲，膨胀时，产品在连接处因为应力过多就会产生龟裂。

2.电子电路的运行障碍
一般来说，作为热源的半导体元件，有这样一个特性，即当电子设备中的半导体元件温度上升，电的阻抗就会变小。这样就容易陷入“温度上升－阻抗下降－电流增加－热增加－温度上升”的恶性循环，进而容易发生烧断的现象。

3.材料品质的恶化
一般说来，电子设备中使用的材料容易氧化，温度越高氧化越快，如果让这些材料反复经过高温氧化，就会缩短其寿命。同时，反复加热，材料多次膨胀，多次冷缩，会降低材料的强度，从而破坏了材料。

LED的热解决方案

运用CAE工具，通过仿真验证热解决方案

的运用
那么怎样验证热解决方法是否有效呢？一种是通过实验测量温度，但是一旦条件改变就要重新测量，效率比较低。因此需要使用CAE软件进行仿真。图2 运用解析软件，在LED灯横向摆放时，对LED灯周围的热和空气的流动进行仿真。（ⅰ）（ⅱ）是整个灯的温度分布图，红色部分代表温度高，蓝色部分代表温度低。（ⅲ）（ⅳ）是灯与LED封装周边（盖子内部）的自然对流图，红色箭头部分表示对流速度快，蓝色部分表示对流速度慢。与实际情况相比，这个例子只是一个非常简单的模型，但从某种程度上却能验证产品的温度分布和空气的自然对流。从整个灯的温度分布来看，虽说盖子的温度低，其他部位温度高，但是某种程度上还是处于一个均等的温度分布。这表面产生的热量大部分都转移到散热器上，而且传送路径中没有障碍。散热器可以起到一个散热的作用，但是如果散热特性不好，整个灯的温度就会上升，因此必须注意散热器的形状（安装散热片的大小、形状、个数等）。

仿真中需要解析对象的形状、产品特性、条件等各种信息，但是通过想要确认的信息可以区别简易解析模型和详细解析模型，从而有效把握想要验证的热解决方法的好坏。例如，本例是对整个电灯的简易建模，并不能把握LED封装内部详细的温度分布，但是如果对该部分进行详细的建模，就能够确认元件实际的温度。
反复实验，通过仿真修改部分信息就可以简单的进行操作，例如容易把握散热器中散热片的形状和个数对温度的影响。作为仿真用软件，可以直接使用CAD信息进行分析，可以在统一环境中对构造、导热、热流体等进行广泛的分析，而且可以进行各种组合分析。在设计中不仅要考虑热的问题，其他因素也必须考虑，组合分析的难易是熟练进行仿真的一个关键点，这些我们在后面进行论述。
本次仅就热的问题进行了探讨，但也存在即使解决了热的问题，却不能解决光、电的问题的情况。产品重在寿命长、无性能损坏、使用安全，因此我们的课题就是实现整体的设计。下次我们将针对电路和光学设计的问题展开讨论。