一种大功率的LED模组设计

摘要：由于LED在工作的时候会产生大量热量，而随着LED不断朝着模组化、智能化的方向发展，大功率LED模组的设计问题成为了行业的研究重点。文章从封装结构散热和辅助散热两方面对目前的LED热管理技术进行了综述，并提出了一种适用于大功率LED模组的热设计方案。通过模拟分析发现，该模组设计方案能充分匹配当前灯珠的散热要求，而且会使每流明的成本有较大幅度地下降。

关键词：LED模组；大功率；FLOEFD模拟；封装结构散热；辅助散热

中图分类号：TN873 ； ； ； ；文献标识码：A ； ； ； ；文章编号：1009-2374（2014）18-0009-04

随着LED（发光二极管）的功率、发光强度和发光效率大幅度提高，LED作为新型照明光源在市场中的份额逐渐提高，给现代社会生活质量的提高带来了不可估量的影响，正在引发一场全球照明领域的革命。

随着LED芯片技术日趋成熟，LED光效越来越高，相对地灯珠的发热量也降低了。市面上的LED模组多数都是20W左右，散热器出现较大的散热能力盈余，而且单个模组的光通量也逐渐缺乏竞争力。设计新的光学模组（50W）能够充分匹配当前灯珠的散热要求，而且会使每流明的成本有较大幅度的下降。

1散热方案设计

1.1散热目标

散热器应满足功率为50W的LED模组的散热需求（使25℃环境下灯珠结点温度Tj<90℃）。

1.2散热方式

利用空气自然对流换热，采用热管加翅片组合方式加强对流散热能力。

1.3散热结构设计

图1散热结构设计流程图

1.4光通量及功率计算

光通量目标：>5000lm；

光效目标：>100lm/W；

故灯珠选用欧司朗的OSLON SQUARE。

根据提供的规格书确认LED灯珠信息如下：

1.5LED灯珠信息

灯珠类型：OSLON SQUARE

亮度等级：MU

灯珠数量：24pcs

灯珠工作电流：0.625A

灯珠工作电压：3.25V

单灯珠功率：2.0W

总输出功率：48W

检验：MU等级光通量最小值为259lm@700mA

整个模组光通量=0.85×259×24=5283lm。

模组光效=5283/48=110.1lm/W

满足设计目标要求。

1.6翅片面积计算

根据牛顿冷却定律，散热量为：

Q=ηhA（Ts-Ta）

式中：

h—自然对流换热系数，一般为5W/mK

Ta—环境空气温度取值为25℃

Ts—翅片表面温度取值为55℃

η—翅片组效率，对于铝翅片取值为0.95

Q—散热量取值为41W

则推算出要求的散热面积，即翅片表面积A应不小于0.288m2。

设计翅片大小为110×46mm，片数为29，则翅片表面积：

A=29×0.11×0.046×2=0.293m2>0.288m2。

满足计算要求。

1.7散热器外观尺寸设计

设计散热大体外观尺寸如图2所示：

图2散热器外观图

1.8灯珠及铝基板

考虑到防水胶条位置大小及参考20W模组的铝基板结构，设计的铝基板参数如图3所示：

图3灯板尺寸图

1.9模组材料组成及其导热系数

模组散热所用到的材料及导热系数如表1所示：

表1材料物性表

零件 材料 导热系数（W/m·K）

散热器 AL6063 203

PCB覆铜层 Copper 398

PCB绝缘层 Filler epoxy 1

PCB铝基层 AL6063 203

热管 烧结管 15000

导热硅脂 Silicone 1.5

2散热模拟

2.1模拟工具

专业热设计软件FloEFD 10，FloEFD 是新一代流体动力学分析的革命性工具，全球唯一完全嵌入三维机械CAD 环境中高度工程化的通用流体传热分析软件，真正实现了仿真分析流程与设计流程的无缝结合，成为从事于流动、换热相关产品开发/设计工程师的高效工具。

2.2构建模型

图4 ；3D模型及重力方向示意图

散热模型如图4所示。

2.3工况类型

本散热模拟共模拟8种工况下LED的散热情况，目的是考察重力方向及热管对散热器散热能力的影响，如表2

所示：

表2

序号 描述 重力方向

1 有热管，正向（翅片朝上） -Y

2 有热管，反向（翅片朝下） +Y

3 有热管，竖置（翅片水平） +X

4 有热管，侧置（翅片竖直） +Z

5 无热管，正向（翅片朝上） -Y

6 无热管，反向（翅片朝下） +Y

7 无热管，竖置（翅片水平） +X

8 无热管，侧置（翅片竖直） +Z

2.4模拟条件

本模拟的散热初始条件及模拟边界条件如图5

所示：

图5计算域示意图

2.5模拟温度取点

通过温度点取值与后面的实验测试结果作对比验证，考虑对称结构所取温度点如下图6所示：

图6温度点示意图

注：T1至T6：灯珠焊点温度；T9：边缘翅片顶部温度

 ； ；T7：热管表面温度；T10：中央翅片根部温度

 ； ；T8：边缘翅片根部温度；T11：中央翅片顶部温度

2.6模拟结果分析

通过对以上所有温度点的检查，可以通过某些特征点来分析该散热器的散热效果，例如工况2，如图7

所示：

图7工况2时部分选取温度点的值

各工况的测温点温度汇总表如表3所示。

3测试验证

3.1测试方法

11条热电偶分布在散热器各关键位置测温，测量误差约为±1℃。

3.2热电偶位置

热电偶位置如图8所示（与模拟的测温点一致）。

3.3热电偶温度汇总

热电偶温度汇总详见表4。

3.4数据处理

由于测量时环境温度低于25℃，故需要将实验测量数据补偿室温与25℃的温差，再与模拟温度作比较。计算公式如下：

T实测@25℃=T实测+（25-Ta）

另外根据欧司朗提供的规格书OSLON SQUARE的结点到焊点的热阻最大值为3.2K/W。

结点到焊点的温升△T=3.2×2=6.4℃

故模拟推算的结温：

TJ_模拟=T模拟@25℃+6.4℃

故实测推算的结温：

TJ_实测=T实测@25℃+6.4℃

图8热电偶的连接方法

3.5结温比较

通过比较发现模拟和实测的结果符合良好，总体误差为5.6%；模拟结果比实际测量的温度偏高，其中竖直摆放工况的误差偏大。

图9

3.6误差分析

对于竖直工况误差略大一些，其余工况符合良好，对于误差分析如下：

自然风：在实际测量环境中，由于实验室内人员的走动，直流电源内部散热风扇吹出的风都会导致实验环境空气存在一定的风速，导致实验测量的温度比模拟结果略高。而对于竖直放置的工况，影响尤其明显，故误差较大。

辐射系数：散热器的辐射系数无法测量，模拟采用的是经验的0.27计算，可能会造成一定的误差。

4结语

通过计算机模拟验证了根据传热学理论推算的翅片面积是满足50W模组的散热要求；通过计算机模拟考察了散热器摆放位置及有无热管对散热能力的影响，发现热管的加入对散热能力有一定的提高，能使结温下降2℃。而竖直摆放的工况是非常不利于散热的。通过实测验证了模拟的准确度，模拟结果会比实测值要偏高，误差平均为5.6%。该精度证明了模拟对散热器的设计具有重要的参考意义。根据以上结果，设计的散热器能满足50W LED的散热要求。

参考文献

[1] ；余桂英，朱旭平，胡锡兵.一种高功率LED射灯的 ；散热设计与实验研究[J].半导体技术，2010， ；（5）.

[2] ；王爽，熊峰，杨洁翔，俞涛.蓝光LED投光灯具高 ；温老化光电性能研究[J].半导体技术，2011， ；（1）.

[3] ；吴军，李抒智，杨卫桥，张建华.功率型LED散热 ；器的研究[J].半导体技术，2010，（10）.

[4] ；黄钰期，俞小莉.紧凑式换热器开孔翅片流动传热 ；特性分析[J].化工学报，2009，（9）.

[5] ；李静，吕国强，杨军，贺兆昌，张文丙.一种带散 ；热片的螺旋线慢波结构的热模拟与分析[J].真空 ；电子技术，2010，（5）.

[6] ；鲁祥友，华泽钊，刘美静，程远霞.基于热管散热 ；的大功率LED 热特性测量与分析[J].光电子激 ；光，2009，（1）.

作者简介：钟弘毅（1983—），男，湖南永州人，供职于广州广日电气设备有限公司，研究方向：LED及LED照明灯具、汽车照明。

所示：

图5计算域示意图

2.5模拟温度取点

通过温度点取值与后面的实验测试结果作对比验证，考虑对称结构所取温度点如下图6所示：

图6温度点示意图

注：T1至T6：灯珠焊点温度；T9：边缘翅片顶部温度

 ； ；T7：热管表面温度；T10：中央翅片根部温度

 ； ；T8：边缘翅片根部温度；T11：中央翅片顶部温度

2.6模拟结果分析

通过对以上所有温度点的检查，可以通过某些特征点来分析该散热器的散热效果，例如工况2，如图7

所示：

图7工况2时部分选取温度点的值

各工况的测温点温度汇总表如表3所示。

3测试验证

3.1测试方法

11条热电偶分布在散热器各关键位置测温，测量误差约为±1℃。

3.2热电偶位置

热电偶位置如图8所示（与模拟的测温点一致）。

3.3热电偶温度汇总

热电偶温度汇总详见表4。

3.4数据处理

由于测量时环境温度低于25℃，故需要将实验测量数据补偿室温与25℃的温差，再与模拟温度作比较。计算公式如下：

T实测@25℃=T实测+（25-Ta）

另外根据欧司朗提供的规格书OSLON SQUARE的结点到焊点的热阻最大值为3.2K/W。

结点到焊点的温升△T=3.2×2=6.4℃

故模拟推算的结温：

TJ_模拟=T模拟@25℃+6.4℃

故实测推算的结温：

TJ_实测=T实测@25℃+6.4℃

图8热电偶的连接方法

3.5结温比较

通过比较发现模拟和实测的结果符合良好，总体误差为5.6%；模拟结果比实际测量的温度偏高，其中竖直摆放工况的误差偏大。

图9

3.6误差分析

对于竖直工况误差略大一些，其余工况符合良好，对于误差分析如下：

自然风：在实际测量环境中，由于实验室内人员的走动，直流电源内部散热风扇吹出的风都会导致实验环境空气存在一定的风速，导致实验测量的温度比模拟结果略高。而对于竖直放置的工况，影响尤其明显，故误差较大。

辐射系数：散热器的辐射系数无法测量，模拟采用的是经验的0.27计算，可能会造成一定的误差。

4结语

通过计算机模拟验证了根据传热学理论推算的翅片面积是满足50W模组的散热要求；通过计算机模拟考察了散热器摆放位置及有无热管对散热能力的影响，发现热管的加入对散热能力有一定的提高，能使结温下降2℃。而竖直摆放的工况是非常不利于散热的。通过实测验证了模拟的准确度，模拟结果会比实测值要偏高，误差平均为5.6%。该精度证明了模拟对散热器的设计具有重要的参考意义。根据以上结果，设计的散热器能满足50W LED的散热要求。

参考文献

[1] ；余桂英，朱旭平，胡锡兵.一种高功率LED射灯的 ；散热设计与实验研究[J].半导体技术，2010， ；（5）.

[2] ；王爽，熊峰，杨洁翔，俞涛.蓝光LED投光灯具高 ；温老化光电性能研究[J].半导体技术，2011， ；（1）.

[3] ；吴军，李抒智，杨卫桥，张建华.功率型LED散热 ；器的研究[J].半导体技术，2010，（10）.

[4] ；黄钰期，俞小莉.紧凑式换热器开孔翅片流动传热 ；特性分析[J].化工学报，2009，（9）.

[5] ；李静，吕国强，杨军，贺兆昌，张文丙.一种带散 ；热片的螺旋线慢波结构的热模拟与分析[J].真空 ；电子技术，2010，（5）.

[6] ；鲁祥友，华泽钊，刘美静，程远霞.基于热管散热 ；的大功率LED 热特性测量与分析[J].光电子激 ；光，2009，（1）.

作者简介：钟弘毅（1983—），男，湖南永州人，供职于广州广日电气设备有限公司，研究方向：LED及LED照明灯具、汽车照明。

所示：

图5计算域示意图

2.5模拟温度取点

通过温度点取值与后面的实验测试结果作对比验证，考虑对称结构所取温度点如下图6所示：

图6温度点示意图

注：T1至T6：灯珠焊点温度；T9：边缘翅片顶部温度

 ； ；T7：热管表面温度；T10：中央翅片根部温度

 ； ；T8：边缘翅片根部温度；T11：中央翅片顶部温度

2.6模拟结果分析

通过对以上所有温度点的检查，可以通过某些特征点来分析该散热器的散热效果，例如工况2，如图7

所示：

图7工况2时部分选取温度点的值

各工况的测温点温度汇总表如表3所示。

3测试验证

3.1测试方法

11条热电偶分布在散热器各关键位置测温，测量误差约为±1℃。

3.2热电偶位置

热电偶位置如图8所示（与模拟的测温点一致）。

3.3热电偶温度汇总

热电偶温度汇总详见表4。

3.4数据处理

由于测量时环境温度低于25℃，故需要将实验测量数据补偿室温与25℃的温差，再与模拟温度作比较。计算公式如下：

T实测@25℃=T实测+（25-Ta）

另外根据欧司朗提供的规格书OSLON SQUARE的结点到焊点的热阻最大值为3.2K/W。

结点到焊点的温升△T=3.2×2=6.4℃

故模拟推算的结温：

TJ_模拟=T模拟@25℃+6.4℃

故实测推算的结温：

TJ_实测=T实测@25℃+6.4℃

图8热电偶的连接方法

3.5结温比较

通过比较发现模拟和实测的结果符合良好，总体误差为5.6%；模拟结果比实际测量的温度偏高，其中竖直摆放工况的误差偏大。

图9

3.6误差分析

对于竖直工况误差略大一些，其余工况符合良好，对于误差分析如下：

自然风：在实际测量环境中，由于实验室内人员的走动，直流电源内部散热风扇吹出的风都会导致实验环境空气存在一定的风速，导致实验测量的温度比模拟结果略高。而对于竖直放置的工况，影响尤其明显，故误差较大。

辐射系数：散热器的辐射系数无法测量，模拟采用的是经验的0.27计算，可能会造成一定的误差。

4结语

通过计算机模拟验证了根据传热学理论推算的翅片面积是满足50W模组的散热要求；通过计算机模拟考察了散热器摆放位置及有无热管对散热能力的影响，发现热管的加入对散热能力有一定的提高，能使结温下降2℃。而竖直摆放的工况是非常不利于散热的。通过实测验证了模拟的准确度，模拟结果会比实测值要偏高，误差平均为5.6%。该精度证明了模拟对散热器的设计具有重要的参考意义。根据以上结果，设计的散热器能满足50W LED的散热要求。

参考文献

[1] ；余桂英，朱旭平，胡锡兵.一种高功率LED射灯的 ；散热设计与实验研究[J].半导体技术，2010， ；（5）.

[2] ；王爽，熊峰，杨洁翔，俞涛.蓝光LED投光灯具高 ；温老化光电性能研究[J].半导体技术，2011， ；（1）.

[3] ；吴军，李抒智，杨卫桥，张建华.功率型LED散热 ；器的研究[J].半导体技术，2010，（10）.

[4] ；黄钰期，俞小莉.紧凑式换热器开孔翅片流动传热 ；特性分析[J].化工学报，2009，（9）.

[5] ；李静，吕国强，杨军，贺兆昌，张文丙.一种带散 ；热片的螺旋线慢波结构的热模拟与分析[J].真空 ；电子技术，2010，（5）.

[6] ；鲁祥友，华泽钊，刘美静，程远霞.基于热管散热 ；的大功率LED 热特性测量与分析[J].光电子激 ；光，2009，（1）.

作者简介：钟弘毅（1983—），男，湖南永州人，供职于广州广日电气设备有限公司，研究方向：LED及LED照明灯具、汽车照明。