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LED照明设计初为何要进行热模仿?简析热模仿之好处、考虑要素及

来源:http://www.zhyxz.com 责任编辑:ag88环亚 2018-08-03 01:27

  LED照明设计初为何要进行热模仿?简析热模仿之好处、考虑要素及准确性

  近年来,LED照明商场呈现爆炸性添加,这是因为遭到多个要素的驱动,其间绿色立法和环境问题是最重要的要素。LED比传统光源(如白炽灯)功率高得多,比荧光灯更环保,不含汞,并且能够调整色彩和亮度。因而,LED用处很广泛,可用于专业、工业和消费运用。可是,固态照明产品的规划是一个杂乱的多学科问题。在这儿,咱们将要点评论散热应战,以及热模仿怎么协助开发团队开宣布牢靠的、契合外形尺度和功能的产品(图1)。

  

  

图1. 热模仿A灯以及制品 (图片来历:Future Facilities Limited)

  事实上,LED灯的运用寿数(一般在25000-50000小时之间)并不能彻底完结,固态照明产品功能有时会跟着时刻的推移而退化。功能(光输出的质量和数量、运用寿数、色彩保持和其他参数)与灯具或替换灯内的温度密切相关。关于给定的环境,灯具的规划怎么有用地散失内部发生的热量与温度直接相关。

  规划应战

  别的两个相关要素也影响了LED照明的长时刻牢靠性:用于LED驱动电路储能的铝电解电容器,以及商场需求驱动照明制造商发明愈加紧凑的灯具。

  除了机电部件如电扇之外,铝电解电容器在许多电子电路中会约束运用寿数。电容器是电化学设备,在正常操作期间,湿电解质逐步用于从头构成氧化铝介电层。 电容器终究会变干,并形成灾难性的成果。在高温下,这个进程会加快。

  在专业运用中,比方文娱照明,就需求较小的照明设备,这样运送和操作时更简略,在运用中也不那么突兀。在改造运用中,从路灯到家用筒灯,都需求将尺度和形状保持在旧式照明技术所界说的范围内。在定向照明的情况下,一般要包含在灯具内装上电子驱动器电路、以及LED发射器模块和透镜。

  适配驱动电路

  LED驱动器电路需求将沟通电网电压转换为低直流电压来驱动LED,并保证以有用办法到达最大输出。虽然功率很高,LED芯片也会发生热量;驱动电路中的元器材,特别是功率晶体管也会发生热量。假如将一切发热部件放置在狭小的空间中,以满意物理规划的约束,那么变热会很快,乃至超越LED结可接受的最高100°C。

  LED灯具规划师所面对的应战是怎么将一切这些东西都放在可用的空间中,一起保证制品内部和外部要害点的温度保持在可接受的范围内。这时分,热模仿就能起到效果,特别是在整个规划进程中。图2示出了在热模仿下有杰出散热的芯片模块典范。

  

  

  

图2. 热模仿标明,这些芯片模块显现出杰出的热办理特性。(图片来历:Future Facilities Limited)

  热模仿的优点

  以往,大部分规划和开发作业都是依据运用经历规律从热学视点核算一个特定组件、印刷电路板(PCB)或完好组件可能的体现。因为任何电子产品的规划和开发进程都是迭代的,所以在整个产品开发进程中有必要重复核算。在每个阶段,都需求纠正规划过错,乃至可能会漏掉热门。每一项改动都会添加项目的时刻和费用,添加在商场中失掉机遇的危险。

  并且,这种办法的精度相对较差,规划人员不得不过度规划散热办理。举例来说,这可能意味着运用更大的散热片,添加制品的尺度和本钱,乃至可能意味着在不需求电扇的情况下运用电扇,大大下降制品的均匀毛病间隔时刻(MTBF)。 更可怕的是,制品出产出来之后,呈现热问题,继而呈现保修索赔、产品替换、品牌名誉受损等。

  因而,热办理使工程师能够规划更小、更经济、功能更好、寿数更长的产品。热模仿让迭代规划更快,能够测验多种散热办理的挑选,并终究缩短产品上市时刻。

  在开发进程中模仿

  在规划进程中,越早进行热模仿,越能下降需求进行严重规划改动以战胜可能呈现的热问题的危险。在整个项目中,电子、机械和热工程师需求协同作业,以保证在规划进程中考虑到热模仿的成果,并充沛认识到规划改动对热功能的影响。 图3描绘了具有不同学科布景的团队成员之间的互动。

  

  

图3. 为了让热模仿有价值,各工程师需求协同作业。(图片来历:Future Facilities Limited)

  在开端的时分,一个十分简略的概念模型 - 其间一切的电子元件表明为一个会集的热块 - 能够用来断定是否有可能在规范的约束内使照明灯具冷却(图4)。 产品的总功耗、尺度、散热器的尺度以及电扇的气流(假如要运用的话)代表了现阶段一切可用的信息。

  

  

图4. (图片来历:Future Facilities Limited)

  鄙人一阶段,当开始产品规划现已建立时,热建模东西需求以下信息:

   组件的详细信息及其在PCB上的方位
 

   最重要组件的估量耗费
 

   照明灯具外壳的巨细概括

  运转模仿之后,温度曲线会杰出显现组件可能超出其最大答应作业温度的方位。

  输入数据影响成果

  输入数据越准确,模仿就越准确。开始模仿的成果能够引导PCB规划者和机械工程师朝可能有利于灯具热功能的方面做出改动。跟着规划的展开,这个进程再次重复。

  在出产原型之前,应该再次模仿此前提出的终究规划。为了保证模仿的成果是准确的,需求更详细的信息。 这包含:

   灯具中元件的热模型,这能够从元件制造商那里取得
 

   LED灯具外壳的3D CAD模型,这能够以各种职业的规范格局导入到模仿东西中
 

  EDA软件的PCB规划,这些能够运用职业规范格局(如IDF和IDX)导入
 

  PCB层内微量元素铜的细节
 

  灯具中所用资料的特性的信息
 

  依据工程核算,灯具内部器材功耗的最新数据

  一旦原型完结,开发团队经过丈量物理温度验证模仿的准确性。在评价这些数据时,重要的是要考虑所运用丈量设备的精度约束。这些可能是热电偶、芯片上的传感器或红外传感器,详细取决于运用。

  热模仿的准确性

  Optimal Thermal Solutions BV的热规划专家Norbert Engelberts运用热模仿东西,展开了一系列LED的照明项目。第一个是为欧洲商场规划一款LED灯代替60W白炽E27型A型灯。规划方针是用对流冷却完结尽可能低的散热片温度,然后最大极限地延伸灯泡的运用寿数。跟着温度的升高,运转寿数下降。运用热建模来优化散热器规划,并且在评价终究产品时,发现模仿准确到丈量温度的5%以内。

  规划筒灯时也呈现了相同的精度。规划方针是断定能够运用的最小的散热片,一起保证LED结温保持在100°C的极限内。丈量温度和模仿温度之间的整体差异仅为4.6%。

  Engelberts在路灯的开发中也运用了热模型。这儿面对的应战是保证IP66密封外壳内的有用热办理,其尺度和形状取决于要被替换的传统灯泡的尺度和形状。 灯的分量是一个要害问题,所以散热器需求保持在最小的尺度,而又不会影响产品的运用寿数。从开始的规划到最后的规划,灯内各点的均匀温度下降了19%,有些点下降了35%。终究产品仅比传统灯具重13%,但更牢靠、更节能。(编译: James)

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