一种新的光源系统研发即热仿真简化LED光源的研发

2011-05-20

                                      一种新的光源系统研发即热仿真简化LED光源的研发
　　任何一种形式的电气照明产品都产生一种负产品：热。从白炽光源到荧光照明，代代工程师都在研发将热量小化或将从光源或设备分离热量的方法。然而led照明，目前正以不断提高的质量和不断增加的形式，带来了新的和不同的挑战。
　　热量的发展会降低LED光输出，引起颜色的改变，同时，缩短元件的使用寿命。据说，热管理是到目前为止，对LED系统设计关键的方面。从一个工程师的角度而言，这意味着要学习跨越结构和电子设计领域常用的工具，要熟悉结构和电子设计范畴之外的流程。幸运的是，现在已经有热设计解决方案，在热验证和测试挑战方面，能帮助简化工程师的设计之路。

　　验证设计概念
　　研发一种新的光源系统时，必须验证基础的产品概念，使结构方面和美学方面的想法与热性能的实际需要能统一。
　　成功的LED系统设计关键是将活动设备的热量有效地从它的PN结转移到环境。焊接LED的PCB板和外壳都参与到热流路径中。设计工程师必须确定，外壳和护罩在转移热量方面表现出效率。制造和测试系列实物样品来验证这一点是昂贵的，并且需要的时间多，因此，近日的设计工程师在设计早期阶段一般采用基于软件的方法。
　　比较受欢迎的方法是使用计算流体力学(CFD=Computational Fluid Dynamics)分析，以虚拟的方式模拟计划中的设备。对于早期设计概念而言，这个方法比建立实物样品要灵活很多，并且一样有效。虚拟模型将特性很好指出后，实物样品就可在此基础上明确哪些可行，哪些不可行。一直以来，CFD仿真都是由一些具备有高级数据和流体力学背景的分析人士来操作，它要求执行分析的人员掌握复杂的CFD建模工具。
　　新的发展将CFD技术带到了结构工程师的桌面，极大地简化和加快了分析。新的流程，即同步CFD，将准备和执行仿真分析要求的大部分工作步骤自动化。使用无缝集成在通用MCAD环境，比如Pro/ENGINEER?，使得结构工程师能对一个新光源设计建立虚拟仿真模型，并检测散热性能。
    一款无缝集成的同步CFD应用比如Mentor Graphcis公司的FloEFD?软件：
　　––通过直接使用MCAD模型，使用在MCAD应用中所保存的设计的尺寸和物理特征
　　––检测流体区域和固体区域，并为这些区域划分网格，创建高级自动网格
　　––帮助工程师设置边界条件
　　––自动提供求解控制设置，在求解器计算时帮助确定收敛
　　设计验证的底线，不论产品是一款新光源，还是对现有设计进行修改，都应是详细了解LED设备的热表现。如果在研发的新LED灯具中，放置已有的设备，那么详细了解热表现也非常重要，因为将原装置的散热性能与灯具配套是关键。
　　热数据应该从LED供应商手中获取，尽管在目前的行业标准中缺乏这些信息，在印刷的产品规格中，提供的信息通常不够全面。比如，热性能数据通常会提供，但是它也许不包括工作温度范围，用户系统实际工作时的温度在哪个范畴。然而，设计工程师必须依靠LED制造商提供的数据或简约模型来执行光源评估，或公司内部测试，或开始早期光源设计。

　　流程从光源的结构设计开始。图1展示的是原始设计步骤。描述的系统包含了一个整体接头（图中黄色部分），它连接灯具的外罩，灯具外罩的鳍片起着散热器的作用。接头插在一个套接座上，设计套接座有时候是让它能进一步传导热量，作为散热系统的一部分。然而，在这个特殊的系统中，套接座只是支撑和连接灯具的一个工具。光源是一个功率LED，它安装在一个金属芯PCB上。在图1中，灯具长度省略了，这是为了更好的展示LED的详细信息。
    使用同步CFD工具，准备热分析的工作就能非常高效地进行。同步CFD应用产品是无缝集成在MCAD环境中的，所以光源的尺寸和物理特性就已经存在于CFD应用中了。具体就如图1中所展示的。
　　如果有需要时，CFD工具也自动模拟分析中需要处理的流体区域中存在的内部空穴。这种需求，在处理管道内流体的问题时，更为常见。对于通过光源的气流以及光源周围的气流，这个应用中我们需要关注。
　　创建计算网格
　　内部温度及它们的分布是热分析中关注的重点，同步CFD应用（同样还是使用MCAD数据）能显示任何二维面，提供横截面视图，展示光源的内部情况。然而，首先却是要创建计算网格，如图2。同步CFD自动执行这一步骤。
    在这里网格只是一个概念，然而，网格是复杂的CFD计算的核心。设备表面分布着小的矩形单元，每一个都跨越在实体和流体间，分开的区域被单独计算。之后程序生成混合结果，将所有网格包含在内。
　　注意到在图2中，网格单元尺寸不一。与外罩外围的网格相比，簇集在LED周围的网格尺寸更小。这是因为高级的同步CFD技术为需要更高网格精度
的区域自动提供更细密的网格。
　　接下来，工程必须定义边界条件，它们是在计算中要用到的设备的工作参数和限制。必须设定外部环境温度，以及LED设备的功率，CFD分析的多次迭代中将使用到。

　　图3：通过灯具中心二维面的温度，以及矢量，显示由灯具外部自然对流引起的流动。在该图和其他相关云图中的矢量使用Mentor Graphics公司的FloEFD软件计算的。FloEFD是经市场证明了的同步CFD产品，无缝集成在MCAD环境，直接使用结构模型的CFD工具。
　　图3显示的是横切面的CFD计算结果。它不仅显示了热量在灯具实体部件的分布，也显示了与灯具外部对流的气流矢量。这个案例中的三维图适合可视化内部情况，但是流动矢量适合二维平面。这个视图中，颜色从红（热）到蓝（冷却），在这两个极端之间存在橙色和绿色。
    转移热量

　　图4：整个灯具面朝下时的粒子迹线，显示的是自然对流如何在灯具外罩的外部引起空气的流动。随着灯具上部流动加速，“热烟”减少。（注意：为方面阅读，本图中的温度图例被放大。）
　　当然，分析的目的是为了确定计划的设计能够将热量从LED光源转移，并能安全地将热量带到环境中。图4，是另外一张同步CFD的视图，对这个问题提供了重要的答案。在这张图中，粒子示踪的气流路径，像是很小的除尘器。同样，这里颜色代表了热分布，不过这张图中，颜色对应了数值。注意这个流动型态：蓝（冷）空气从下面进入，在经过光源时被加热成蓝绿色。对流将加热的空气往上方带，并带走加热的空气。这对灯具而言，散热是否足够，以及在设计中是否还会有其他外罩？这个问题只有设计工程师能回答，但是同步CFD分析已经提供了数据，帮助做出判断。

　　图5提供了另外一些信息。这张是图1的实体模型中LED以及外壳整体组件的热梯度图。图例提供了温度的详细信息。依据这些信息，容易做出判断，比如触摸温度是否在安全范围内。
　　总结
　　同步CFD仿真/分析流程如Mentor Graphics公司的FloEFD软件，对于改善设计概念是不可或缺的。与创建实物样品和测试样品相比，它要便宜很多；而同步CFD中创建的自动流程意味着，第一次评估的周期准备工作简单，而对之后每一次的仿真，操作起来则更快捷。提倡在设计完全和的确被优化后，再建立实物样品，是一种环境走势。同步CFD能用来快速决定钟型外罩的更佳开槽数目，以及各槽之间金属的厚度，从而将热量扩散到环境的数量大化。