一种led灯设计验证方法及其在外挂灯和前大灯的应用的利记博彩app
【专利摘要】本发明公开了一种LED灯设计验证方法及其在外挂灯和前大灯的应用，设计验证方法包括以下步骤：确定LED灯具结构，对LED灯具和LED灯珠建模；简化LED灯具和LED灯珠模型；对简化后的LED灯具和LED灯珠模型进行数值模拟验证；得出结论，确定LED灯具导热布置和散热方案是否可行。本发明通过确定结构与建模、数值模拟求解，得出结论，在投入生产前先对LED灯进行结构设计，对灯具工作时各个部位的热量及其散热要求进行模拟验证，得出合理导热布置和散热方案，高效散热设计将芯片产生的热量传导出去并与环境有效交换，使LED灯在工作时得到合理的散热，使LED芯片工作在安全温度下，提高LED芯片的光效、寿命和可靠性。
【专利说明】一种LED灯设计验证方法及其在外挂灯和前大灯的应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种设计及模拟验证方法，尤其涉及的是一种LED灯设计验证方法及 其在外挂灯和前大灯的应用。
【背景技术】
[0002] 作为新型的照明光源技术，LED具有高光效、寿命长、体积小、响应快等诸多优点。 由于受到使用功率的限制，早期的LED主要用于仪表显示，家用照明等领域，而后被引入汽 车照明领域后，也仅作为尾灯或辅助照明使用。
[0003] LED用于汽车前大灯的主要瓶颈在于散热，由于LED的光转化效率仅有20-30%， 很大一部分能量将转换为热量，使LED芯片的温度升高。而LED芯片的光效、寿命和可靠性 极大地依赖于芯片温度（结温），如何通过高效的散热设计将芯片产生的热量传导出去并 与环境有效交换，从而使LED芯片工作在安全温度下是长期以来LED照明领域的关注热点。
[0004] 随着LED芯片加工和封装工艺的不断进步，LED的光效不断提高，并且LED芯片级 和封装级的散热设计更加合理，这使得用于汽车前大灯的LED照明系统成为了可能。2007 年，雷克萨斯推出的LS600h是第一款将LED用于前大灯照明的量产车，但是该款车只是近 光灯使用了白光LED，远光灯仍然采用了传统的卤素灯。2008年，奥迪R8成为了第一辆搭 载全LED前大灯的车型，它的远近光、转向、日间行车灯灯前大灯的照明功能全部使用LED 元件。之后，包括凯迪拉克、宝马等高端车型，以及高尔夫7和蒙迪欧等中端车型均加入了 LED前大灯汽车的行列。
[0005] 在前车灯的散热设计方面，雷克萨斯的LS600h由日本小系车灯公司设计，采用 了一体化被动散热结构，考虑到远光灯并未使用LED，因此散热条件并不苛刻。奥迪R8由 Automobile Lighting公司设计，在一体化散热的基础上，采用了外加风扇的主动散热方 式。法雷奥在为沃尔沃S60概念车设计的前大灯中更是采用了外加热管及风扇的高效散热 方式。
[0006] 从目前LED的工艺水平以及汽车前大灯的照明需求来看，仅仅空气自然对流的被 动散热很难到达要求，而主动散热可以通过外加风扇、合成射流器或者半导体制冷片实现。 其中，半导体制冷片散热需要对灯具结构做较大改变，而且还需要辅助散热装置对制冷片 热端进行散热，否则可靠性难以保证，因此半导体制冷片散热的车灯还仅存在于概念设计 层面，未见产品。外加风扇和合成射流器散热仅仅需要在现有散热器后端做较小改动，可行 性更强。相比较而言，合成射流器更具优势：首先，合成射流器体积较小，可以在汽车大灯 与发动机间的狭小空间内安装；其次，合成射流器寿命更长，能够提高整个灯具的可靠性； 同时，合理排布的合成射流器喷气孔能产生二次流动，有效提高散热器表面的换热效率。目 前，国内采用合成射流器的LED专利还不多，而且相当一部分只是应用于路灯与其他照明 装置，应用在车灯上产品实例仍然空缺。而在换热条件苛刻的情况下，如何采用更合理的导 热布置和散热方案是亟待解决的一个问题。
[0007] 因此，现有技术还有待于改进和发展。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种LED灯设计验证方法及其在外挂灯和前大灯的应用， 旨在解决在换热条件苛刻的情况下，如何采用更合理的导热布置和散热方案的问题。
[0009] 本发明的技术方案如下：
[0010] 一种LED灯设计验证方法，其中，具体包括以下步骤：
[0011] 步骤Sl :确定LED灯具的结构，对LED灯具和LED灯珠进行建模；
[0012] 步骤S2 :对LED灯具和LED灯珠模型进行简化；
[0013] 步骤S3 :对简化后的LED灯具和LED灯珠模型进行数值模拟验证；
[0014] 步骤S4 :根据步骤S2和步骤S3得出结论，确定LED灯具的导热布置和散热方案 是否可行。
[0015] 所述的LED灯设计验证方法，其中，所述步骤S1中，采用CAD软件设计LED灯具的 结构和对LED灯珠建模。
[0016] 所述的LED灯设计验证方法，其中，所述步骤S2中，对LED灯具和LED灯珠模型进 行简化，采用Icepak软件的多尺寸网格划分功能，对灯珠结构和灯具的重要部件处采用较 密的网格，而对自由空间内则采用较稀的网格；已知灯珠热阻和灯珠功率，直接将灯珠等效 成一个无厚度的发热面，通过Ansys软件的Icepak模块模拟得到基底表面温度后，将基底 表面热阻与芯片间热阻考虑进去，代入公式（3)，得到灯具的结温：
[0017] Tjunction - T substrate+(Rdie+Rsolder) X P.
[0018] (3)，其中，1'_。_为结温，1\1^_为基底表面温度，1^为灯珠热阻，1^。1(^为锡膏 层热阻，P为灯珠发热功率。
[0019] 所述的LED灯设计验证方法，其中，所述步骤S3中，进行数值模拟验证时采用 Ansys软件的Icepak模块对LED灯具进行热分析，得出LED灯具中的最高温度，具体步骤 为：将利用CAD软件设计好的LED灯具结构和LED灯珠模型导入Ansys Modeler模块，进行 简单修改和简化后再导入Icepak模块，设置材料性质、边界条件以及求解方法，划分网格， 借助Fluent软件进行求解。
[0020] 一种如上述所述的LED灯设计验证方法，其中，当LED灯为外挂式LED汽车改装灯 时，具体包括以下步骤：
[0021] 步骤Sl :确定LED灯具的结构：利用CAD软件设计确定外挂式LED汽车改装灯具、 灯具中部基板上的仿流明灯珠以及灯具底部COB封装灯珠的结构；
[0022] 对LED灯具和LED灯珠进行建模：仿流明灯珠焊接在车灯内的铝基印刷电路板上， 位于外挂式LED汽车改装灯的中部，发热功率为7W，采用热沉式SMT封装，确定灯珠内的 各材料层、厚度及热导率；COB封装灯珠安装在外挂式LED汽车改装灯的底部，发热功率为 14W，灯珠内包含LED芯片阵列，其中灯珠下部的基板采用直接键合铜板，确定灯珠内的各 材料层、厚度及热导率；
[0023] 步骤S2 :对LED灯具和LED灯珠模型进行简化：采用Ic印ak软件的多尺寸网格划 分的功能，对仿流明灯珠、COB封装灯珠模型和外挂式LED汽车改装灯具的重要部件处采用 较密的网格，而对自由空间内则采用较稀的网格；
[0024] 同时，采用等效热导率的方式处理功率电路板：
[0025] 对于仿流明灯珠的铝基印刷电路板，其等效热导率为：
【权利要求】
1. 一种LED灯设计验证方法，其特征在于，具体包括以下步骤： 步骤Sl:确定LED灯具的结构，对LED灯具和LED灯珠进行建模； 步骤S2 :对LED灯具和LED灯珠模型进行简化； 步骤S3 :对简化后的LED灯具和LED灯珠模型进行数值模拟验证； 步骤S4 :根据步骤S2和步骤S3得出结论，确定LED灯具的导热布置和散热方案是否 可行。
2. 根据权利要求1所述的LED灯设计验证方法，其特征在于，所述步骤Sl中，采用CAD 软件设计LED灯具的结构和对LED灯珠建模。
3. 根据权利要求2所述的LED灯设计验证方法，其特征在于，所述步骤S2中，对LED 灯具和LED灯珠模型进行简化，采用Icepak软件的多尺寸网格划分功能，对灯珠结构和灯 具的重要部件处采用较密的网格，而对自由空间内则采用较稀的网格；已知灯珠热阻和灯 珠功率，直接将灯珠等效成一个无厚度的发热面，通过Ansys软件的Icepak模块模拟得到 基底表面温度后，将基底表面热阻与芯片间热阻考虑进去，代入公式（3)，得到灯具的结温： Tjunction T substrate+ (Rdie+尺Solder) X P· ⑶，其中，Tjmrtim为结温，TsubstMte为基底表面温度，Rdie为灯珠热阻，RS()ldOT为锡膏层热 阻，P为灯珠发热功率。
4. 根据权利要求3所述的LED灯设计验证方法，其特征在于，所述步骤S3中，进行数 值模拟验证时采用Ansys软件的Icepak模块对LED灯具进行热分析，得出LED灯具中的 最高温度，具体步骤为：将利用CAD软件设计好的LED灯具结构和LED灯珠模型导入Ansys Modeler模块，进行简单修改和简化后再导入Icepak模块，设置材料性质、边界条件以及求 解方法，划分网格，借助Fluent软件进行求解。
5. -种如权利要求4所述的LED灯设计验证方法，其特征在于，当LED灯为外挂式LED 汽车改装灯时，具体包括以下步骤： 步骤Sl:确定LED灯具的结构：利用CAD软件设计确定外挂式LED汽车改装灯具、灯具 中部基板上的仿流明灯珠以及灯具底部COB封装灯珠的结构； 对LED灯具和LED灯珠进行建模：仿流明灯珠焊接在车灯内的铝基印刷电路板上，位于 外挂式LED汽车改装灯的中部，发热功率为7W，采用热沉式SMT封装，确定灯珠内的各材料 层、厚度及热导率；COB封装灯珠安装在外挂式LED汽车改装灯的底部，发热功率为14W，灯 珠内包含LED芯片阵列，其中灯珠下部的基板采用直接键合铜板，确定灯珠内的各材料层、 厚度及热导率； 步骤S2 :对LED灯具和LED灯珠模型进行简化：采用Icepak软件的多尺寸网格划分 的功能，对仿流明灯珠、COB封装灯珠模型和外挂式LED汽车改装灯具的重要部件处采用较 密的网格，而对自由空间内则采用较稀的网格；同时，采用等效热导率的方式处理功率电路 板： 对于仿流明灯珠的铝基印刷电路板，其等效热导率为：
⑴式采用了串联热阻公式计算，其中，λΜ_表示铝基印刷电路板的热导率，δ表示 铝基印刷电路板的总厚度=Scu+δMsin+δA1，S01表示铜电路层的厚度，λCu代表铜电路层 的热导率，δ_in表示介电层的厚度，λ_^代表介电层的热导率，δA1表示铝基板的厚度， λA1代表铝基板的热导率。 对于COB封装灯珠的直接键合铜板，其等效热导率为：
η (2)式采用了串联热阻公式计算，其中，Xdbc表示直接键合铜板的热导率，
6。111表示铜电路层的厚度，Aail代表铜电路层的热导率，表示介电层的厚度， 代表介电层的热导率，S^l2表示铜基底的厚度，λ^代表铜基底的热导率； 已知灯珠热阻和灯珠功率，直接将灯珠等效成一个无厚度的发热面，通过Ansys软件 的Icepak模块模拟得到基底表面温度后，将基底表面热阻与芯片间热阻考虑进去，得到灯 珠的结温： Tjunction T substrate+ (Rdie+Rs〇lder) X Ρ· (3) 其中，1^。"?为结温，Tsubstrate为基底表面温度，Rdie为灯珠热阻，Rstjldw为锡膏层热阻，P为灯珠发热功率；通过公式（3)计算得到外挂式LED汽车改装灯的结温为125°C; 步骤S3 :对简化后的LED灯具和LED灯珠模型进行数值模拟验证： 模拟在静止状态，仅存在自然对流的条件下利用Ansys软件的Icepak模块对外挂式LED汽车改装灯内的温度分布进行热分析，得到外挂式LED汽车改装灯、仿流明灯珠和COB 封装灯珠的温度分布：最高温度在外挂式LED汽车改装灯中部设置的的仿流明灯珠处，该 处温度为l〇7°C; 模拟在行驶状态下，假设外挂式LED汽车改装灯迎面的风速为lOm/s，得到此时外挂式LED汽车改装灯、仿流明灯珠和COB封装灯珠的温度分布：由于风速带来的强迫对流，灯壳 温度已接近环境温度25°C，而此时外挂式LED汽车改装灯内灯珠的最高温度仅为79°C; 步骤S4 :根据步骤S2和步骤S3得出结论，确定LED灯具的导热布置和散热方案是否 可行：通过对外挂式LED汽车改装灯具结构的建模与数值模拟，对于外挂式LED汽车改装 灯的设计有如下结论：1.根据公式（1)和（2)可以得出，铝基印刷电路板的等效热导率为 12. 3WAm·K)〈直接键合铜板的等效热导率为193. 6WAm·K)，COB封装灯珠的散热性能要 优于仿流明灯珠的散热性能，主要是因为DBC板的散热性能更好，并且COB封装灯珠减少了 焊锡层；2.在静止状态下，外挂式LED汽车改装灯具内灯珠的最高温度为107°C，在行驶状 态下，外挂式LED汽车改装灯具内灯珠的最高温度为79°C，都小于外挂式LED汽车改装灯的 结温125°C，均在LED灯的安全工作温度内，该设计符合散热要求。
6. -种如权利要求4所述的LED灯设计验证方法，其特征在于，当LED灯为可替换式 LED前大灯时，具体包括以下步骤： 步骤Sl:确定LED灯具的结构，对LED灯具和LED灯珠进行建模：利用CAD软件设计确 定竖排布置翅片的可替换式LED前大灯、横排布置翅片的可替换式LED前大灯以及可替换 式车灯基板上灯珠布置的结构；可替换式LED前大灯采用I. 6mm*l. 6_的大功率灯珠阵列， 每个灯珠的热阻约〇. 4C/W; 步骤S2 :对LED灯具和LED灯珠模型进行简化：采用Icepak软件的多尺寸网格划分的 功能，对竖排布置翅片的可替换式LED前大灯、横排布置翅片的可替换式LED前大灯的重要 部件处和可替换式车灯基板上的灯珠结构，采用较密的网格，而对自由空间内则采用较稀 的网格；已知灯珠热阻和灯珠功率，直接将灯珠等效成一个无厚度的发热面，通过Ansys软 件的Icepak模块模拟得到基底表面温度后，将基底表面热阻与芯片间热阻考虑进去，得到 灯珠的结温： Tjunction T substrate+ (Rdie+Rs〇lder) X P· (3) 其中，1^。"?为结温，Tsubstrate为基底表面温度，Rdie为灯珠热阻，Rstjldw为锡膏层热阻， P为灯珠发热功率，考虑到灯珠和焊锡层的热阻，根据公式（3)，可替换式LED前大灯的结温 为 120。； 步骤S3 :对简化后的LED灯具和LED灯珠模型进行数值模拟验证：利用Ansys软件的Icepak模块对竖排布置翅片的可替换式LED前大灯和横排布置翅片的可替换式LED前大灯 进行热分析： 在常温下25°C，竖排布置翅片的可替换式LED前大灯具内的最高温度大约为118°C〈 结温120°C，在LED灯的安全工作温度内，可以满足在常温下工作的要求；但是如果将竖排 布置翅片的可替换式LED前大灯置于车厢内环境工作时，车厢内温度为65°C，灯珠将失效； 横排布置翅片的可替换式LED前大灯具的温度分布与竖排布置翅片的可替换式LED前 大灯的温度分布一致：可以满足在常温25°C下工作的要求，但在车厢内环境工作时，车厢 内温度为65°C，灯珠将失效； 步骤S4 :根据步骤S2和步骤S3得出结论，确定LED灯具的导热布置和散热方案是否 可行：通过对可替换式LED前大灯具结构的建模与数值模拟，对于可替换式LED前大灯的 设计有如下结论：横排布置翅片的可替换式LED前大灯的散热效果与竖排布置翅片的可替 换式LED前大灯的散热效果相当，在常温25°C下，两者可以满足工作要求，灯珠温度〈结温 120°C;但是如果将可替换式LED前大灯置于车厢内环境工作时，车厢内温度为65°C，横排 布置翅片的可替换式LED前大灯和竖排布置翅片的可替换式LED前大灯的灯珠都将失效， 需要其他的辅助散热手段使可替换式LED前大灯满足散热要求。
【文档编号】G06F17/50GK104462648SQ201410615201
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】何孝文, 曾明虎, 张力, 张克强, 张任 申请人:佛山克莱汽车照明股份有限公司