[發(fā)明專利]一種LED燈設(shè)計驗證方法及其在外掛燈和前大燈的應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410615201.2
• 申請日: 2014-11-05
• 公開（公告）號: CN104462648B
• 公開（公告）日: 2018-03-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 何孝文
• 申請（專利權(quán)）人: 佛山克萊汽車照明股份有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 深圳市君勝知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)44268
• 代理人: 劉文求

1.一種LED燈設(shè)計驗證方法，具體包括以下步驟：

步驟S1：確定LED燈具的結(jié)構(gòu)，對LED燈具和LED燈珠進行建模；

步驟S2：對LED燈具和LED燈珠模型進行簡化；

步驟S3：對簡化后的LED燈具和LED燈珠模型進行數(shù)值模擬驗證；

步驟S4：根據(jù)步驟S2和步驟S3得出結(jié)論，確定LED燈具的導(dǎo)熱布置和散熱方案是否可行；

所述步驟S2中，對LED燈具和LED燈珠模型進行簡化，采用Icepak軟件的多尺寸網(wǎng)格劃分功能，對燈珠結(jié)構(gòu)和燈具的重要部件處采用較密的網(wǎng)格，而對自由空間內(nèi)則采用較稀的網(wǎng)格；已知燈珠熱阻和燈珠功率，直接將燈珠等效成一個無厚度的發(fā)熱面，通過Ansys軟件的Icepak模塊模擬得到基底表面溫度后，將基底表面熱阻與芯片間熱阻考慮進去，代入公式（3），得到燈具的結(jié)溫： （3），其中，為結(jié)溫，為基底表面溫度，為燈珠熱阻，為錫膏層熱阻，為燈珠發(fā)熱功率；

其特征在于，當(dāng)LED燈為外掛式LED汽車改裝燈時，具體包括以下步驟：

步驟S1：確定LED燈具的結(jié)構(gòu)：利用CAD軟件設(shè)計確定外掛式LED汽車改裝燈具、燈具中部基板上的仿流明燈珠以及燈具底部COB封裝燈珠的結(jié)構(gòu)；

對LED燈具和LED燈珠進行建模：仿流明燈珠焊接在車燈內(nèi)的鋁基印刷電路板上，位于外掛式LED汽車改裝燈的中部，發(fā)熱功率為7W，采用熱沉式SMT封裝，確定燈珠內(nèi)的各材料層、厚度及熱導(dǎo)率；COB封裝燈珠安裝在外掛式LED汽車改裝燈的底部，發(fā)熱功率為14W，燈珠內(nèi)包含LED芯片陣列，其中燈珠下部的基板采用直接鍵合銅板，確定燈珠內(nèi)的各材料層、厚度及熱導(dǎo)率；

步驟S2：對LED燈具和LED燈珠模型進行簡化：采用Icepak軟件的多尺寸網(wǎng)格劃分的功能，對仿流明燈珠、COB封裝燈珠模型和外掛式LED汽車改裝燈具的重要部件處采用較密的網(wǎng)格，而對自由空間內(nèi)則采用較稀的網(wǎng)格；同時，采用等效熱導(dǎo)率的方式處理功率電路板：

對于仿流明燈珠的鋁基印刷電路板，其等效熱導(dǎo)率為：λ_MCPCB=12.3W/（m·K），其計算公式為

（1）

（1）式采用了串聯(lián)熱阻公式計算，其中，表示鋁基印刷電路板的熱導(dǎo)率，表示鋁基印刷電路板的總厚度=++，表示銅電路層的厚度，代表銅電路層的熱導(dǎo)率，表示介電層的厚度，代表介電層的熱導(dǎo)率，表示鋁基板的厚度，代表鋁基板的熱導(dǎo)率；

對于COB封裝燈珠的直接鍵合銅板，其等效熱導(dǎo)率為λ_DBC=193.6W/（m·K），其計算公式為

（2）

（2）式采用了串聯(lián)熱阻公式計算，其中，表示直接鍵合銅板的熱導(dǎo)率，表示直接鍵合銅板的總厚度=++，表示銅電路層的厚度，代表銅電路層的熱導(dǎo)率，表示介電層的厚度，代表介電層的熱導(dǎo)率，表示銅基底的厚度，代表銅基底的熱導(dǎo)率；

已知燈珠熱阻和燈珠功率，直接將燈珠等效成一個無厚度的發(fā)熱面，通過Ansys軟件的Icepak模塊模擬得到基底表面溫度后，將基底表面熱阻與芯片間熱阻考慮進去，得到燈珠的結(jié)溫：

（3）

其中，為結(jié)溫，為基底表面溫度，為燈珠熱阻，為錫膏層熱阻，為燈珠發(fā)熱功率；通過公式（3）計算得到外掛式LED汽車改裝燈的結(jié)溫為125°C；

步驟S3：對簡化后的LED燈具和LED燈珠模型進行數(shù)值模擬驗證：

模擬在靜止?fàn)顟B(tài)，僅存在自然對流的條件下利用Ansys軟件的Icepak模塊對外掛式LED汽車改裝燈內(nèi)的溫度分布進行熱分析，得到外掛式LED汽車改裝燈、仿流明燈珠和COB封裝燈珠的溫度分布：最高溫度在外掛式LED汽車改裝燈中部設(shè)置的的仿流明燈珠處，該處溫度為107°C；

模擬在行駛狀態(tài)下，假設(shè)外掛式LED汽車改裝燈迎面的風(fēng)速為10 m/s，得到此時外掛式LED汽車改裝燈、仿流明燈珠和COB封裝燈珠的溫度分布：由于風(fēng)速帶來的強迫對流，燈殼溫度已接近環(huán)境溫度25°C，而此時外掛式LED汽車改裝燈內(nèi)燈珠的最高溫度僅為79°C；

步驟S4：根據(jù)步驟S2和步驟S3得出結(jié)論，確定LED燈具的導(dǎo)熱布置和散熱方案是否可行：通過對外掛式LED汽車改裝燈具結(jié)構(gòu)的建模與數(shù)值模擬，對于外掛式LED汽車改裝燈的設(shè)計有如下結(jié)論：①根據(jù)公式（1）和（2）可以得出，鋁基印刷電路板的等效熱導(dǎo)率為12.3W/（m·K）<直接鍵合銅板的等效熱導(dǎo)率為193.6W/（m·K），COB封裝燈珠的散熱性能要優(yōu)于仿流明燈珠的散熱性能，是因為DBC板的散熱性能好，并且COB封裝燈珠減少了焊錫層；②在靜止?fàn)顟B(tài)下，外掛式LED汽車改裝燈具內(nèi)燈珠的最高溫度為107°C，在行駛狀態(tài)下，外掛式LED汽車改裝燈具內(nèi)燈珠的最高溫度為79°C，都小于外掛式LED汽車改裝燈的結(jié)溫125°C，均在LED燈的安全工作溫度內(nèi)，該設(shè)計符合散熱要求；

當(dāng)LED燈為可替換式LED前大燈時，具體包括以下步驟：

步驟S1：確定LED燈具的結(jié)構(gòu)，對LED燈具和LED燈珠進行建模：利用CAD軟件設(shè)計確定豎排布置翅片的可替換式LED前大燈、橫排布置翅片的可替換式LED前大燈以及可替換式車燈基板上燈珠布置的結(jié)構(gòu)；可替換式LED前大燈采用1.6mm*1.6mm的大功率燈珠陣列，每個燈珠的熱阻為0.4℃/W；

步驟S2：對LED燈具和LED燈珠模型進行簡化：采用Icepak軟件的多尺寸網(wǎng)格劃分的功能，對豎排布置翅片的可替換式LED前大燈、橫排布置翅片的可替換式LED前大燈的重要部件處和可替換式車燈基板上的燈珠結(jié)構(gòu)，采用較密的網(wǎng)格，而對自由空間內(nèi)則采用較稀的網(wǎng)格；已知燈珠熱阻和燈珠功率，直接將燈珠等效成一個無厚度的發(fā)熱面，通過Ansys軟件的Icepak模塊模擬得到基底表面溫度后，將基底表面熱阻與芯片間熱阻考慮進去，得到燈珠的結(jié)溫：

（3）

其中，為結(jié)溫，為基底表面溫度，為燈珠熱阻，為錫膏層熱阻，為燈珠發(fā)熱功率，考慮到燈珠和焊錫層的熱阻，根據(jù)公式（3），可替換式LED前大燈的結(jié)溫為120°；

步驟S3：對簡化后的LED燈具和LED燈珠模型進行數(shù)值模擬驗證：利用Ansys軟件的Icepak模塊對豎排布置翅片的可替換式LED前大燈和橫排布置翅片的可替換式LED前大燈進行熱分析：

在常溫下25°C，豎排布置翅片的可替換式LED前大燈具內(nèi)的最高溫度為118°C<結(jié)溫120°C，在LED燈的安全工作溫度內(nèi)，滿足在常溫下工作的要求；但是如果將豎排布置翅片的可替換式LED前大燈置于車廂內(nèi)環(huán)境工作時，車廂內(nèi)溫度為65°C，燈珠將失效；

橫排布置翅片的可替換式LED前大燈具的溫度分布與豎排布置翅片的可替換式LED前大燈的溫度分布一致：滿足在常溫25°C下工作的要求，但在車廂內(nèi)環(huán)境工作時，車廂內(nèi)溫度為65°C，燈珠將失效；

步驟S4：根據(jù)步驟S2和步驟S3得出結(jié)論，確定LED燈具的導(dǎo)熱布置和散熱方案是否可行：通過對可替換式LED前大燈具結(jié)構(gòu)的建模與數(shù)值模擬，對于可替換式LED前大燈的設(shè)計有如下結(jié)論：橫排布置翅片的可替換式LED前大燈的散熱效果與豎排布置翅片的可替換式LED前大燈的散熱效果相當(dāng)，在常溫25°C下，兩者滿足工作要求，燈珠溫度<結(jié)溫120°C；但是如果將可替換式LED前大燈置于車廂內(nèi)環(huán)境工作時，車廂內(nèi)溫度為65°C，橫排布置翅片的可替換式LED前大燈和豎排布置翅片的可替換式LED前大燈的燈珠都將失效，需要其他的輔助散熱手段使可替換式LED前大燈滿足散熱要求。