一种大功率的LED模组设计
2022-06-08
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
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：