LED散热情况研究

杨骏+汪军+翁鹏程+张敬斋

文章编号：1008-8857(2014)02-0118-04DOI:10.13259/j.cnki.eri.2014.02.013

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摘 要： 在静态常温空气中的4种不同工况下对一款带有鳍片式散热器的LED进行了热学测试,对所得结果进行了对比分析,得到了LED功率与其底盘焊点温度之间的关系.在SolidWorks软件中建立了带有相同散热器的9颗LED灯具模型,借助热学仿真软件Flow Simulation用有限元法对其进行分析计算,由结果可知:中心LED温度最高,为64.31℃,周围8颗LED温度几乎相同,其平均温度为62.7℃,并推测了影响两者温差大小的因素.

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关键词：

LED; 散热器; 热学仿真; 有限元法; 热导率

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中图分类号： TN 312+.8文献标志码： A

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Study on heatrelease conditions of LEDs

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YANG Jun, WANG Jun, WENG Pengcheng, ZHANG Jingzhai

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(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for 

Science and Technology, Shanghai 200093, China)

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Abstract： The temperature of LED with fin type heat sink was tested under 4 different working conditions in free air.The relationship between LED power and the solder temperature is acquired after test result analysis.The model of 9 LEDs with the same heat sink was set up in SolidWorks,and it was solved in Flow Simulation which is a software for thermal simulation.The center LED has the highest temperature with a value of 64.31℃.The temperatures of the other 8 LEDs around are nearly the same,and their average temperature is 62.7℃.The reason of the temperature difference is analyzed.

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Key words：

LED; heat sink; thermal simulation; finitevolume method; thermal conductivity

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目前,大功率高亮度的发光二极管(LED)因其高发光效率、低能耗而发展迅速［1］.与传统照明的光源相比,LED具有寿命长、节能、环保、抗冲击性好、无辐射、无电磁干扰、无有毒气体、发光效率高且易受控制等显著优点［2］.LED发光是由于电子在能带间的跃迁过程中产生了光子,但是电子和空穴的无辐射复合产生晶格震荡,将很大一部分能量转化为热能.目前LED的发光效率大约为20%,大量的热量无法散发,使结温升高,进而降低了芯片的发光效率［3］,减少了LED的寿命［4］.

1 LED灯具的基本结构

图1为某一类型LED器件示意图［5］.LED正常工作时,芯片所发出的热量传给FR-4基板,经过导热胶传递给散热器.通过散热器将大量热量散发到空气中,降低芯片温度.图2为LED热传导器件的三维模型,FR-4基板上共有4颗规格完全相同的LED,分别将其命名为:LED1、LED2、LED3、LED4.图3为市场上某一款鳍片式散热器.

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图1 LED器件示意图

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Fig.1

The structure of LED component

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图2 LED器件的三维模型



Fig.2

3D model of LED component

图3 鳍片式散热器

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Fig.3

Fin type heat sink

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2 LED散热性能实验

2.1 实验过程

将LED所在FR-4基板置于图3所示的散热器中央,用适量导热胶匀抹在基板下表面与散热器上表面的结合处,以减少空气间隙造成的热阻.实验共包括4种工况,均通以0.45 A的直流电流,测试环境温度为25℃.工况1: LED1正常工作,总电压为2.93 V,功率为1.3 W;工况2: LED1和LED2均正常工作,总电压为5.801 V,单颗LED功率为1.3 W,LED总功率为2.6 W;工况3: LED1、LED2和LED3同时正常工作,总电压为8.687 V,总功率为3.9 W,单颗LED功率为1.3 W;工况4: LED1、LED2、LED3和LED4都正常工作,总电压为11.8 V,总功率为5.2 W,单颗LED功率为1.3 W.正常工作时,4颗LED为串联.使用T型热电偶分别测试4种工况下工作LED底盘焊点的温度.

2.2 实验结果分析及讨论

经实验测试得到4种工况下的LED温度如表1所示.

由表1可知,同一工况下,串联连接的LED由于型号规格相同,正常工作时,各颗LED的温度几乎相同.4种工况下工作LED的平均温度分别为34.06、37.86、41.82、46.03℃.LED总功率与LED平均温度的关系如图4所示.由图可以看出,LED总功率与LED平均温度近似呈线性关系,工作LED的颗数越多,FR-4基板上每颗LED的温度也越高.

表1 4种工况下的LED温度

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Tab.1

The LED temperature of 4 tests

工况总功率Pt/W单颗LED功率Ps/WLED1温度T1/℃LED2温度T2/℃LED3温度T3/℃LED4温度T4/℃平均温度T/℃

11.31.334.0634.06

22.61.338.0137.7137.86

33.91.341.5641.9341.9641.82

45.21.345.9246.2345.5646.4146.03



3 LED的热学仿真模拟

近年来,随着计算机的迅速发展以及各种热学分析软件的兴起,采用有限元法分析LED的热分布已成为很多设计者的一种选择.采用该方法具有成本低、可靠性高等优点.以实验的散热器模型为基础,研究当LED颗数增加到9颗时,FR-4基板上LED的温度情况,其中每颗LED的间距和工作情况均保持不变,FR-4基板的厚度也保持不变,面积相应增大.

图4 LED总功率与LED平均温度的关系

Fig.4

Relationship between LED power and LED average temperature



3.1 有限元法热分析理论

三维直角坐标系中瞬态温度场变量T(x,y,z,t)满足



xλxxTx+yλyyTy+zλzzTz+q0=ρcdTdt(1)



式中:T/x、T/y、T/z分别为沿x、y、z方向的温度梯度;λxx、λyy、λzz分别为x、y、z方向的热导率;q0为单位体积所生成的热量;ρ、c分别代表密度和比热容;dT/dt为温度随时间的变化率.



dTdt=Tt+VxTx+VyTy+VzTz(2)



式中:Vx、Vy、Vz分别为x、y、z方向的媒介传导速率.

当进行稳态情况的分析时,T/t=0,式(1)可以简化为



xλxxTx+yλyyTy+zλzzTz+q0=0(3)



根据式(3)、边界条件以及初始条件,利用迭代法或者消去法求解,可得出热分析的结果［6］.

3.2 有限元模型的建立

在SolidWorks中建立LED灯具的几何模型,如图5所示.仿真模型假设:每颗LED的输入功率为1.3 W,发光效率为20%,鳍片式散热器的热导率为210 W•m-1•K-1,环境温度为25℃.使用Flow Simulation软件对其进行热学分析.



图5 9颗LED灯具的几何模型

Fig.5

Geometric model of a lamp with 9 LEDs



3.3 仿真结果及分析

通过计算,FR-4基板上LED的温度如图6所示,与表1中实验结果相比,仿真计算所得的9颗LED工作时的温度要比实验中4颗LED工作时所测得的温度高了近18℃.仿真结果显示,中心LED的温度略高于周围8颗LED的温度,其温度为64.31℃.从图6中的温度云图可以看出,造成这一现象的原因是周围8颗LED发热与温升都影响了中心LED的换热.周围8颗LED温度几乎相同,平均温度为62.7℃,比中心LED低1.61℃,相差不多.因此,可推测温差的大小与LED的间距和LED本身的功率两者有关.



图6 9颗LED灯具的热学仿真结果

Fig.6

The thermal simulation result of 

the lamp with 9 LEDs



4 结 语

通过实验,针对LED在同一款鳍片式散热器上的4种工况进行了温度测试.通过改变FR-4基板上工作LED的颗数,对比不同工况下所得的测试结果,得到了LED温度和LED总功率近似呈线性关系的规律.此外,在SolidWorks软件中建立了该散热器承载9颗LED及FR-4基板的灯具模型,使用Flow simulation热学分析软件计算得到了每颗LED的温度情况,并分析了造成此结果的原因.有限元热分析方法的使用对于灯具的设计有着重大作用,其具有一定的可靠性,能够有效地降低成本,减少产品的设计周期.

参考文献:

［1］ HELIOTIS G,STAVRINOUS P N,BRADLEY D D

C,et al.Spectral conversion of InGan ultraviolet microarray lightemitting diodes using fluorinebased red,green,blue,and whitelightemitting polymer overlayer films［J］.APL,2005,87(10):130505.

［2］ 谢仁富,张彦敏,朱俊.船用大功率LED灯散热性能研究［J］.舰船科学技术,2011,33(8):169-172.

［3］ 费翔,钱可元,罗毅.大功率LED结温测量及发光特性研究［J］.光电子•激光,2008,19(3):289-299.

［4］ BARTON D L,OSINSKI M,PERLIN P,et al.Singlequantum well InGaN green light emitting diodes under high electrical stress［J］.Microelectronics and Reliability,1999,39(8):1219-1227.

［5］ 褚旭昭,丁同言,杨洁翔,等.LED散热器散热性能优化分析［J］.照明工程学报,2012,23(1):62-65.

［6］ 王静,吴福根.改善大功率LED散热的关键问题［J］.电子设计工程,2009,17(4):123-125.

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图4 LED总功率与LED平均温度的关系

Fig.4

Relationship between LED power and LED average temperature

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3.1 有限元法热分析理论

三维直角坐标系中瞬态温度场变量T(x,y,z,t)满足

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xλxxTx+yλyyTy+zλzzTz+q0=ρcdTdt(1)



式中:T/x、T/y、T/z分别为沿x、y、z方向的温度梯度;λxx、λyy、λzz分别为x、y、z方向的热导率;q0为单位体积所生成的热量;ρ、c分别代表密度和比热容;dT/dt为温度随时间的变化率.



dTdt=Tt+VxTx+VyTy+VzTz(2)



式中:Vx、Vy、Vz分别为x、y、z方向的媒介传导速率.

当进行稳态情况的分析时,T/t=0,式(1)可以简化为



xλxxTx+yλyyTy+zλzzTz+q0=0(3)



根据式(3)、边界条件以及初始条件,利用迭代法或者消去法求解,可得出热分析的结果［6］.

3.2 有限元模型的建立

在SolidWorks中建立LED灯具的几何模型,如图5所示.仿真模型假设:每颗LED的输入功率为1.3 W,发光效率为20%,鳍片式散热器的热导率为210 W•m-1•K-1,环境温度为25℃.使用Flow Simulation软件对其进行热学分析.

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图5 9颗LED灯具的几何模型

Fig.5

Geometric model of a lamp with 9 LEDs

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3.3 仿真结果及分析

通过计算,FR-4基板上LED的温度如图6所示,与表1中实验结果相比,仿真计算所得的9颗LED工作时的温度要比实验中4颗LED工作时所测得的温度高了近18℃.仿真结果显示,中心LED的温度略高于周围8颗LED的温度,其温度为64.31℃.从图6中的温度云图可以看出,造成这一现象的原因是周围8颗LED发热与温升都影响了中心LED的换热.周围8颗LED温度几乎相同,平均温度为62.7℃,比中心LED低1.61℃,相差不多.因此,可推测温差的大小与LED的间距和LED本身的功率两者有关.

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图6 9颗LED灯具的热学仿真结果

Fig.6

The thermal simulation result of 

the lamp with 9 LEDs

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4 结 语

通过实验,针对LED在同一款鳍片式散热器上的4种工况进行了温度测试.通过改变FR-4基板上工作LED的颗数,对比不同工况下所得的测试结果,得到了LED温度和LED总功率近似呈线性关系的规律.此外,在SolidWorks软件中建立了该散热器承载9颗LED及FR-4基板的灯具模型,使用Flow simulation热学分析软件计算得到了每颗LED的温度情况,并分析了造成此结果的原因.有限元热分析方法的使用对于灯具的设计有着重大作用,其具有一定的可靠性,能够有效地降低成本,减少产品的设计周期.

参考文献:

［1］ HELIOTIS G,STAVRINOUS P N,BRADLEY D D

C,et al.Spectral conversion of InGan ultraviolet microarray lightemitting diodes using fluorinebased red,green,blue,and whitelightemitting polymer overlayer films［J］.APL,2005,87(10):130505.

［2］ 谢仁富,张彦敏,朱俊.船用大功率LED灯散热性能研究［J］.舰船科学技术,2011,33(8):169-172.

［3］ 费翔,钱可元,罗毅.大功率LED结温测量及发光特性研究［J］.光电子•激光,2008,19(3):289-299.

［4］ BARTON D L,OSINSKI M,PERLIN P,et al.Singlequantum well InGaN green light emitting diodes under high electrical stress［J］.Microelectronics and Reliability,1999,39(8):1219-1227.

［5］ 褚旭昭,丁同言,杨洁翔,等.LED散热器散热性能优化分析［J］.照明工程学报,2012,23(1):62-65.

［6］ 王静,吴福根.改善大功率LED散热的关键问题［J］.电子设计工程,2009,17(4):123-125.

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图4 LED总功率与LED平均温度的关系

Fig.4

Relationship between LED power and LED average temperature

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3.1 有限元法热分析理论

三维直角坐标系中瞬态温度场变量T(x,y,z,t)满足

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xλxxTx+yλyyTy+zλzzTz+q0=ρcdTdt(1)

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式中:T/x、T/y、T/z分别为沿x、y、z方向的温度梯度;λxx、λyy、λzz分别为x、y、z方向的热导率;q0为单位体积所生成的热量;ρ、c分别代表密度和比热容;dT/dt为温度随时间的变化率.

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dTdt=Tt+VxTx+VyTy+VzTz(2)

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式中:Vx、Vy、Vz分别为x、y、z方向的媒介传导速率.

当进行稳态情况的分析时,T/t=0,式(1)可以简化为

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xλxxTx+yλyyTy+zλzzTz+q0=0(3)

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根据式(3)、边界条件以及初始条件,利用迭代法或者消去法求解,可得出热分析的结果［6］.

3.2 有限元模型的建立

在SolidWorks中建立LED灯具的几何模型,如图5所示.仿真模型假设:每颗LED的输入功率为1.3 W,发光效率为20%,鳍片式散热器的热导率为210 W•m-1•K-1,环境温度为25℃.使用Flow Simulation软件对其进行热学分析.

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图5 9颗LED灯具的几何模型

Fig.5

Geometric model of a lamp with 9 LEDs

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3.3 仿真结果及分析

通过计算,FR-4基板上LED的温度如图6所示,与表1中实验结果相比,仿真计算所得的9颗LED工作时的温度要比实验中4颗LED工作时所测得的温度高了近18℃.仿真结果显示,中心LED的温度略高于周围8颗LED的温度,其温度为64.31℃.从图6中的温度云图可以看出,造成这一现象的原因是周围8颗LED发热与温升都影响了中心LED的换热.周围8颗LED温度几乎相同,平均温度为62.7℃,比中心LED低1.61℃,相差不多.因此,可推测温差的大小与LED的间距和LED本身的功率两者有关.

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图6 9颗LED灯具的热学仿真结果

Fig.6

The thermal simulation result of 

the lamp with 9 LEDs

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4 结 语

通过实验,针对LED在同一款鳍片式散热器上的4种工况进行了温度测试.通过改变FR-4基板上工作LED的颗数,对比不同工况下所得的测试结果,得到了LED温度和LED总功率近似呈线性关系的规律.此外,在SolidWorks软件中建立了该散热器承载9颗LED及FR-4基板的灯具模型,使用Flow simulation热学分析软件计算得到了每颗LED的温度情况,并分析了造成此结果的原因.有限元热分析方法的使用对于灯具的设计有着重大作用,其具有一定的可靠性,能够有效地降低成本,减少产品的设计周期.

参考文献:

［1］ HELIOTIS G,STAVRINOUS P N,BRADLEY D D

C,et al.Spectral conversion of InGan ultraviolet microarray lightemitting diodes using fluorinebased red,green,blue,and whitelightemitting polymer overlayer films［J］.APL,2005,87(10):130505.

［2］ 谢仁富,张彦敏,朱俊.船用大功率LED灯散热性能研究［J］.舰船科学技术,2011,33(8):169-172.

［3］ 费翔,钱可元,罗毅.大功率LED结温测量及发光特性研究［J］.光电子•激光,2008,19(3):289-299.

［4］ BARTON D L,OSINSKI M,PERLIN P,et al.Singlequantum well InGaN green light emitting diodes under high electrical stress［J］.Microelectronics and Reliability,1999,39(8):1219-1227.

［5］ 褚旭昭,丁同言,杨洁翔,等.LED散热器散热性能优化分析［J］.照明工程学报,2012,23(1):62-65.

［6］ 王静,吴福根.改善大功率LED散热的关键问题［J］.电子设计工程,2009,17(4):123-125.

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