LED筒灯散热仿真及光源布局优化研究[2]

　　3 散热模拟仿真建模

　　3.1 实验室测试

　　本次实验选用25WLED筒灯进行实验室测量，实验室测量设备采用8通道测温仪TP700，搭建的LED灯具实验室温度测量平台如图6所示，测量环境为无人走动恒温密闭实验房间。测量点位置如图7所示，并与25W散热模拟仿真结果(如图8所示)进行比较，从表2中可知，仿真结果较为准确，与实验室测量误差在3℃以内。因此，本次的仿真数据得到的理论温度数据与实际温度数据较为接近，可作为参考作用。

　　图6 实验室测量平台

　　图7 25W筒灯光源板温度测量点位置

　　图8 25W筒灯仿真分析结果

　　3.2 现有25WLED筒灯光源板热仿真分析

　　25W 8寸LED筒灯采用60颗5630LED布置的光源方案，灯具所使用的材料及其导热系数见表2。

　　表2 25WLED筒灯灯具材料及其导热系数

　　环境温度设置为26.7°C，仿真结果如图8所示。

　　3.3 实验室测量与仿真试验数据分析

　　从表3中数据可以发现，测量点②～⑥实测温度与仿真温度比较接近(基本在2%误差范围内)，仿真实验方法准确可信，后续将采用同样的参数和边界条件进行优化仿真分析实验。对比分析测量点①的实测温度高于仿真温度约5℃，经过分析，这是由于在样品制造生产过程中其工艺、装配以及后续的测量影响因素造成的，但可以分析出测量点①所处的最内环LED温度明显高于最外环。所以，以这一光源板布局来看，虽然其LED工作温度还处于比较理想的范围内，但造成整个光源板的LED工作温度不均，最终会导致最内环LED寿命最短，影响光源板整体寿命。因此，综合实验测量及仿真结果，将对光源板布局进行优化设计，实现光源板整体LED工作温度降低，提高光源板整体寿命。

　　表3 实验室测量与仿真温度对比(室温26.7℃)

　　4 光源布局优化设计

　　光源布局优化要兼顾到散热、电学、机械结构、光学和生产工艺等多个方面。由于受光源铝基板尺寸限制，若仍然采用4环，光源布局并无多大可优化空间。因此，本次光源布局优化将从原先4环LED布局，调整为3环LED布局。根据功率设置、光源板设计空间和光学要求，调整LED数量及LED排布间距，通过热仿真软件分析，确定最佳布局方案。

　　4.1 光源布局优化设计及散热模拟仿真

　　4.1.1 不同数量LED光源布局仿真

　　保持灯具总功率25W不变，配合驱动电源设计，布局考虑60颗、48颗和36颗三种，其他结构、材料、电源和边界条件均一致，仿真结果见图9，仿真数据对比见表4。

　　图9 不同LED颗数光源布局热仿真结果

　　表4 不同LED颗数光源布局仿真值对比(模拟环境温度26.7℃)

　　表5 不同环间距LED光源布局仿真值对比(模拟环境温度26.7℃)

　　从图9和表5的对比可以看出，若LED筒灯电源设计合理，理论上来说应当尽量采用小功率、多颗数LED的布局，会使得光源LED产生的热量较为均匀且分散，避免过多的热源相互间热耦合影响。LED颗数过多，虽然可以使得热量较为均匀，但铝基板电路布线、生产制造以及LED焊接工艺的难度就会增加，尤其是最高温度所在的最内环LED，由于数量较多也会存在热耦合影响使得最高温度较高;LED颗数过少，LED间距得到增加有利于散热，但单颗LED功率也不能偏大，应防止热量局部积聚而影响散热。综合对比，采用48颗LED的光源布局比较适合25W筒灯。

　　4.1.2 不同环间距LED光源布局仿真

　　综合光源板尺寸大小，25W筒灯，48颗LED光源板，分别安排10mm、12mm、14mm三种LED间距的光源布局仿真实验，其他材料结构均一致，其温度对比结果见表5。

　　按照实验室测量得出的数据与仿真实验的数据进行比较可以发现，第3种14mm的LED间距布局散热情况最佳，在保证光学输出不受影响和光源基板尺寸允许的情况下，LED间距越大，可以最大程度地避免和减少LED间的热耦合现象。

　　4.2 优化后LED筒灯样品实验室测量

　　综合考虑光源LED的散热情况以及铝基板布线以及灯具出光需求，选定48颗LED、14mmLED间距作为优化后光源布局方案。对布局优化后光源板打样装配并在同等条件下进行实验室温度测量，与优化前对应测量点进行对比。图10是优化前光源板(60颗LED)，图11是优化后光源板(48颗LED)，温度测量数据对比结果见表6。从表6中可以看到，光源布局优化后的LED灯具，其工作温度更低，尤其是LED的最高温度下降10%左右，明显改善散热情况，保证光源板LED灯具寿命的均匀性，提高灯具的整体寿命。

　　图10 优化前光源板(60颗LED)

　　图11 优化后光源板(48颗LED)

　　表6 光源布局优化前后实验室测量值对比(室温26.5℃)

　　5 小结

　　本文在准确建立LED筒灯三维数学模型，综合考虑影响灯具散热的材料、热阻、辐射率、热载荷等因素，然后利用CFD热仿真软件，用数值分析模拟和实验室测试相结合的方法，分析灯具散热情况。在此基础上，着重研究LED颗数及LED间距对光源散热的影响，研究发现在光源布局时应当综合考虑LED颗数与LED间距的关系，尽量避免和减少光源LED间的热耦合或出现局部热积聚，保证光源的整体寿命进而提高LED筒灯的寿命和可靠性。经过LED筒灯样品实验室测量验证，光源布局优化后的LED工作温度更为理想，能有效提高LED灯具的整体寿命，对将来LED筒灯的开发设计具有重要的实践指导意义。

编辑：Cedar