簡介
任何一種形式的電氣照明產品都產生一種負產品：熱。從白熾光源到熒光照明,，代代工程師都在研發(fā)將熱量最小化或將從光源或設備分離熱量的方法,。然而LED照明，目前正以不斷提高的質量和不斷增加的形式,，帶來了新的和不同的挑戰(zhàn),。
熱量的發(fā)展會降低LED光輸出，引起顏色的改變,，同時,，縮短元件的使用壽命,。據(jù)說，熱管理是到目前為止,，對LED系統(tǒng)設計最關鍵的方面,。從一個工程師的角度而言，這意味著要學習跨越結構和電子設計領域常用的工具,，要熟悉結構和電子設計范疇之外的流程,。幸運的是，現(xiàn)在已經有熱設計解決方案,，在熱驗證和測試挑戰(zhàn)方面,，能幫助簡化工程師的設計之路。
驗證設計概念
研發(fā)一種新的光源系統(tǒng)時,，必須驗證最基礎的產品概念,，使結構方面和美學方面的想法與熱性能的實際需要能統(tǒng)一。
成功的LED系統(tǒng)設計關鍵是將活動設備的熱量有效地從它的PN結轉移到環(huán)境,。焊接LED的PCB板和外殼都參與到熱流路徑中,。設計工程師必須確定，外殼和護罩在轉移熱量方面表現(xiàn)出效率,。制造和測試系列實物樣品來驗證這一點是昂貴的,，并且需要的時間多，因此,，近日的設計工程師在設計早期階段一般采用基于軟件的方法,。
比較受歡迎的方法是使用計算流體力學(CFD=Computational Fluid Dynamics)分析，以虛擬的方式模擬計劃中的設備,。對于早期設計概念而言,，這個方法比建立實物樣品要靈活很多，并且一樣有效,。虛擬模型將特性很好指出后,，實物樣品就可在此基礎上明確哪些可行，哪些不可行,。一直以來,，CFD仿真都是由一些具備有高級數(shù)據(jù)和流體力學背景的分析人士來操作，它要求執(zhí)行分析的人員掌握復雜的CFD建模工具,。
最新的發(fā)展將CFD技術帶到了結構工程師的桌面,，極大地簡化和加快了分析。新的流程,，即同步CFD,，將準備和執(zhí)行仿真分析要求的大部分工作步驟自動化。使用無縫集成在通用MCAD環(huán)境,，比如Pro/ENGINEER®,，使得結構工程師能對一個新光源設計建立虛擬仿真模型,，并檢測散熱性能。
一款無縫集成的同步CFD應用比如Mentor Graphcis公司的FloEFD™軟件：
––通過直接使用MCAD模型,，使用在MCAD應用中所保存的設計的尺寸和物理特征
––檢測流體區(qū)域和固體區(qū)域,，并為這些區(qū)域劃分網(wǎng)格，創(chuàng)建高級自動網(wǎng)格
––幫助工程師設置邊界條件
––自動提供求解控制設置,，在求解器計算時幫助確定收斂
設計驗證的底線,，不論產品是一款新光源，還是對現(xiàn)有設計進行修改,，都應是詳細了解LED設備的熱表現(xiàn),。如果在研發(fā)的新LED燈具中，放置已有的設備,，那么詳細了解熱表現(xiàn)也非常重要,，因為將原裝置的散熱性能與燈具配套是關鍵。
熱數(shù)據(jù)應該從LED供應商手中獲取,，盡管在目前的行業(yè)標準中缺乏這些信息,，在印刷的產品規(guī)格中，提供的信息通常不夠全面,。比如,，熱性能數(shù)據(jù)通常會提供，但是它也許不包括工作溫度范圍,，最終用戶系統(tǒng)實際工作時的溫度在哪個范疇,。然而，設計工程師必須依靠LED制造商提供的數(shù)據(jù)或簡約模型來執(zhí)行光源評估,，或公司內部測試,，或開始早期光源設計。
LED光源的MCAD模型" height="509" src="http://files.chinaaet.com/images/20110506/3d8042bd-e2e0-4e9a-9fee-899fb0d0fa09.jpg" width="450" />
圖1：LED光源的MCAD模型（點擊圖片放大）
流程從光源的結構設計開始,。圖1展示的是原始設計步驟,。描述的系統(tǒng)包含了一個整體接頭（圖中黃色部分），它連接燈具的外罩,，燈具外罩的鰭片起著散熱器的作用。接頭插在一個套接座上,，設計套接座有時候是讓它能進一步傳導熱量,，作為散熱系統(tǒng)的一部分。然而,，在這個特殊的系統(tǒng)中,，套接座只是支撐和連接燈具的一個工具。光源是一個功率LED,，它安裝在一個金屬芯PCB上,。在圖1中,，燈具長度省略了，這是為了更好的展示LED的詳細信息,。
使用同步CFD工具,，準備熱分析的工作就能非常高效地進行。同步CFD應用產品是無縫集成在MCAD環(huán)境中的,，所以光源的尺寸和物理特性就已經存在于CFD應用中了,。具體就如圖1中所展示的。
如果有需要時,，CFD工具也自動模擬分析中需要處理的流體區(qū)域中存在的內部空穴,。這種需求，在處理管道內流體的問題時,，更為常見,。對于通過光源的氣流以及光源周圍的氣流，這個應用中我們需要關注,。
創(chuàng)建計算網(wǎng)格
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圖2：燈具組件中心切面的計算網(wǎng)格
內部溫度及它們的分布是熱分析中關注的重點,，同步CFD應用（同樣還是使用MCAD數(shù)據(jù)）能顯示任何二維面，提供橫截面視圖,，展示光源的內部情況,。然而，首先卻是要創(chuàng)建計算網(wǎng)格,，如圖2,。同步CFD自動執(zhí)行這一步驟。
在這里網(wǎng)格只是一個概念,，然而,，網(wǎng)格是復雜的CFD計算的核心。設備表面分布著小的矩形單元,，每一個都跨越在實體和流體間,，分開的區(qū)域被單獨計算。之后程序生成混合結果,，將所有網(wǎng)格包含在內,。
注意到在圖2中，網(wǎng)格單元尺寸不一,。與外罩外圍的網(wǎng)格相比,，簇集在LED周圍的網(wǎng)格尺寸更小。這是因為高級的同步CFD技術為需要更高網(wǎng)格精度
的區(qū)域自動提供更細密的網(wǎng)格,。
接下來,，工程必須定義邊界條件，它們是在計算中要用到的設備的工作參數(shù)和限制。必須設定外部環(huán)境溫度,，以及LED設備的功率,，CFD分析的多次迭代中將使用到。
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圖3：通過燈具中心二維面的溫度,，以及矢量,，顯示由燈具外部自然對流引起的流動。在該圖和其他相關云圖中的矢量使用Mentor Graphics公司的FloEFD軟件計算的,。FloEFD是經市場證明了的同步CFD產品,，無縫集成在MCAD環(huán)境，直接使用結構模型的CFD工具,。
圖3顯示的是橫切面的CFD計算結果,。它不僅顯示了熱量在燈具實體部件的分布，也顯示了與燈具外部對流的氣流矢量,。這個案例中的三維圖適合可視化內部情況,，但是流動矢量適合二維平面。這個視圖中,，顏色從紅（最熱）到藍（最冷卻）,，在這兩個極端之間存在橙色和綠色。
轉移熱量
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圖4：整個燈具面朝下時的粒子跡線,，顯示的是自然對流如何在燈具外罩的外部引起空氣的流動,。隨著燈具上部流動加速，“熱煙”減少,。（注意：為方面閱讀,，本圖中的溫度圖例被放大。）
當然,，分析的目的是為了確定計劃的設計能夠將熱量從LED光源轉移,，并能安全地將熱量帶到環(huán)境中。圖4,，是另外一張同步CFD的視圖,，對這個問題提供了重要的答案。在這張圖中,，粒子示蹤的氣流路徑,，像是很小的除塵器。同樣,，這里顏色代表了熱分布,，不過這張圖中，顏色對應了數(shù)值,。注意這個流動型態(tài)：藍（冷）空氣從下面進入，在經過光源時被加熱成藍綠色。對流將加熱的空氣往上方帶,，并帶走加熱的空氣,。這對燈具而言，散熱是否足夠,，以及在最終設計中是否還會有其他外罩,？這個問題只有設計工程師能回答，但是同步CFD分析已經提供了數(shù)據(jù),，幫助做出判斷,。
圖5：MCAD模型上的表面溫度預測（點擊圖片放大）
圖5提供了另外一些信息。這張是圖1的實體模型中LED以及外殼整體組件的熱梯度圖,。圖例提供了溫度的詳細信息,。依據(jù)這些信息，容易做出判斷,，比如觸摸溫度是否在安全范圍內,。
總結
同步CFD仿真/分析流程如Mentor Graphics公司的FloEFD軟件，對于改善設計概念是不可或缺的,。與創(chuàng)建實物樣品和測試樣品相比,，它要便宜很多；而同步CFD中創(chuàng)建的自動流程意味著,，第一次評估的周期準備工作簡單,，而對之后每一次的仿真，操作起來則更快捷,。提倡在設計完全和的確被優(yōu)化后,，再建立實物樣品，是一種環(huán)境走勢,。同步CFD能用來快速決定鐘型外罩的最佳開槽數(shù)目,，以及各槽之間金屬的厚度，從而將熱量擴散到環(huán)境的數(shù)量最大化,。
明導公司MicReD部門的T3Ster熱測試系統(tǒng),，提供LED設備的關鍵熱參數(shù)（點擊圖片放大）