CN104462648B - 一种led灯设计验证方法及其在外挂灯和前大灯的应用 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
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
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。
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。
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。
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。
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。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
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。
本发明的技术方案如下：
一种LED灯设计验证方法，其中，具体包括以下步骤：
步骤S1：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。
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。
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：
Tjunction＝Tsubstrate+(Rdie+RSolder)×P.
(3)，其中，Tjunction为结温，Tsubstrate为基底表面温度，Rdie为灯珠热阻，RSolder为锡膏层热阻，P为灯珠发热功率。
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。
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：
步骤S1：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：
(1)式采用了串联热阻公式计算，其中，λMCPCB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＝δCu+δresin+δAl，δCu表示铜电 路层的厚度，λCu代表铜电路层的热导率，δresin表示介电层的厚度，λresin代表介电层的热导率，δAl表示铝基板的厚度，λAl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：
(2)式采用了串联热阻公式计算，其中，λDBC表示直接键合铜板的热导率，δ表示直接键合铜板的总厚度δCu1表示铜电路层的厚度，λCu1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，δCu2表示铜基底的厚度，λCu2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＝Tsubstrate+(Rdie+RSolder)×P. (3)
其中，Tjunction为结温，Tsubstrate为基底表面温度，Rdie为灯珠热阻， RSolder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℃；
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107℃；
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10m/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℃，而此时外挂式LED汽车改装灯内灯珠的最高温度仅为79℃；
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12.3W/(m·K)<直接键合铜板的等效热导率为193.6W/(m·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℃，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℃，都小于外挂式LED汽车改装灯的结温125℃，均在LED灯的安全工作温度内，该设计符合散热要求。
一种如上述所述的LED灯设计验证方法，其中，当LED灯为可替换式LED前大灯时，具体包括以下步骤：
步骤S1：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1.6mm*1.6mm的大功率灯珠阵列，每个灯珠的热阻约0.4C/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＝Tsubstrate+(Rdie+RSolder)×P. (3)
其中，Tjunction为结温，Tsubstrate为基底表面温度，Rdie为灯珠热阻，RSolder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℃，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℃<结温120℃，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℃，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℃下工作的要 求，但在车厢内环境工作时，车厢内温度为65℃，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℃下，两者可以满足工作要求，灯珠温度<结温120℃；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。
本发明的有益效果：本发明通过提供一种LED灯设计验证方法及其在外挂灯和前大灯的应用，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，对灯具工作时的各个部位的热量及其散热要求进行模拟验证，得出合理的导热布置和散热方案，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，使LED灯在工作时得到及时合理的散热，从而使LED芯片工作在安全温度下，大大地提高了LED芯片的光效、寿命和可靠性，使其满足生产和使用要求。
附图说明
图1是本发明中LED灯设计验证方法的步骤流程图。
图2是本发明中外挂式LED汽车改装灯具的结构示意图。
图3是本发明中外挂式LED汽车改装灯具中部基板上的仿流明灯珠结构示意图。
图4是本发明中外挂式LED汽车改装灯具底部COB封装灯珠的结构示意图。
图5是本发明中仿流明灯珠的结构示意图。
图6是本发明中COB封装灯珠的结构示意图。
图7是本发明中竖排布置翅片的可替换式LED前大灯的结构示意图。
图8是本发明中横排布置翅片的可替换式LED前大灯的结构示意图。
图9是本发明中可替换式车灯基板上的灯珠布置的结构示意图。
图10是本发明中借助斯特灵电动机的反馈式LED灯具结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
如图1所示，是本发明中LED灯设计验证方法的步骤流程图。本LED灯设计验证方法具体包括以下步骤：
步骤S1：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。
其中步骤S1中，采用CAD软件设计LED灯具的结构和对LED灯具、LED灯珠建模。
其中步骤S2中，对LED灯具和LED灯珠模型进行简化，采用多尺寸网格划分的方法，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：对于已知其他参数的灯珠热阻，可以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(芯片间热阻包括LED灯珠热阻与锡膏层热阻)考虑进去，代入公式(3)，得到灯具的结温：Tjunction＝Tsubstrate+(Rdie+RSolder)×P. (3)
其中， Tjunction为结温，Tsubstrate为基底表面温度，Rdie为灯珠热阻(灯珠自身参数，购买灯珠时厂家提供)，RSolder为锡膏层热阻(锡膏的参数，由锡膏厂商提供)，P为灯珠发热功率(灯珠自身参数，购买灯珠时厂家提供)。本实施例中，采用Icepak软件实现对LED灯具的重要部件和LED灯珠模型进行简化。
其中步骤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等，划分网格，借助Fluent软件进行求解。
其中步骤S4中，将步骤S2中得到的灯具结温和步骤S3中得到的灯具最高温度作比较，确定LED灯具的导热布置和散热方案是否可行。
根据上述的LED灯设计验证方法，现列举以下实施例加以说明：
实施例1对外挂式LED汽车改装灯的设计及数值模拟验证
步骤S1：确定LED灯具的结构：如图2-4所示，是利用CAD软件设计确定的外挂式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(chip On board)灯珠的结构图；
对LED灯具和LED灯珠进行建模：1.大功率仿流明灯珠焊接在车灯内的铝基印刷电路板(Metal Core Printed Circuit Board，简称MCPCB)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(Surface Mount Technology)封装，灯珠结构如图5所示，灯珠内的各材料层、厚度及热导率见表1；2.COB封装大功率灯珠安装在外挂式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(Direct Bonded Copper，简称DBC)，这能有效降低LED灯珠的热阻，灯珠结构如图6所示，灯珠内的各材料层、厚度及热导率见表2；
表1仿流明灯珠各材料层、厚度及热导率
| 组件 | 材料 | 厚度/mm | 热导率W(m·K) |
| 灌封胶110 | 硅脂 | — | 016 |
| 芯片120 | GaN | — | 130 |
| 芯片贴装层130 | Sn-3.5Ag | 0.1 | 33 |
| 铜热沉140 | Cu | — | 387.6 |
| 锡膏层150 | Sn60.8-Pb39.2 | 0.1 | 57 |
| 铜电路层160 | Cu | 0.1 | 387.6 |
| 介电层170 | 环氧树脂 | 0.1 | 1.1 |
| 铝基板180 | Aluminium6061 | 1 | 154 |
表2COB封装灯珠各材料层、厚度及热导率
| 组件 | 材料 | 厚度/mm | 热导率W(m·K) |
| 灌封胶210 | 硅脂 | — | 016 |
| 芯片220 | GaN | — | 130 |
| 芯片贴装层130 | Sn-3.5Ag | 0.1 | 33 |
| 铜电路层240 | Cu | 0.075 | 387.6 |
| 介电层250 | Al2O3 | 0.075 | 27 |
| 铜基层260 | Cu | 0.85 | 387.6 |
| 导热粘合剂270 | 导热硅脂 | 0.1 | 3 |
| 散热器280 | 铝合金ADC12 | — | 96 |
步骤S2：对LED灯具和LED灯珠模型进行简化：采用多尺寸网格划分的方法，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。本实施例中，采用Icepak软件实现对外挂式LED汽车改装灯的重要部件、仿流明灯珠和COB封装灯珠模型进行简化；
同时，采用等效热导率的方式处理功率电路板：
1.对于仿流明灯珠的铝基印刷电路板(MCPCB)，其等效热导率为：
(1)式采用了串联热阻公式计算，其中，λMCPCB表示MCPCB板的热导率，δ表示MCPCB板的总厚度＝δCu+δresin+δAl，δCu表示铜电路层的厚度，λCu代表铜电路层的热导率，δresin表示介电层的厚度，λresin代表介电层的热导率，δAl表示铝基板的厚度，λAl代表铝基板的热导率。
2.对于COB封装灯珠的直接键合铜板(DBC)，其等效热导率为：
(2)式采用了串联热阻公式计算，其中，λDBC表示DBC板的热导率，δ表示DBC板的总厚度δCu1表示铜电路层的厚度，λCu1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，δCu2表示铜基底的厚度，λCu2代表铜基底的热导率。
对于已知灯珠热阻和灯珠功率的情况下，可以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(芯片间热阻包括LED灯珠热阻与锡膏层热阻)考虑进去，得到灯珠的结温：
Tjunction＝Tsubstrate+(Rdie+RSolder)×P. (3)
其中，Tjunction为结温，Tsubstrate为基底表面温度，Rdie为灯珠热阻(灯珠自身参数，购买灯珠时厂家提供)，RSolder为锡膏层热阻(锡膏的参数，由锡膏厂商提供)，P为灯珠发热功率(灯珠自身参数，购买灯珠时厂家提供)；通过公式(3)计算得到外挂式LED汽车改装灯的结温为125℃。
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：
1.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107℃<125℃，低于外挂式LED汽车改装灯的结温；
2.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10m/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℃)，而此时外挂式LED汽车改装灯内灯珠的最高温度仅为79℃<125℃，低于外 挂式LED汽车改装灯的结温。
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12.3W/(m·K)<直接键合铜板的等效热导率为193.6W/(m·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℃，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℃，都小于外挂式LED汽车改装灯的结温，均在LED灯的安全工作温度内，该设计符合散热要求。
实施例2对可替换式LED前大灯的设计及数值模拟验证
步骤S1：确定LED灯具的结构，对LED灯具和LED灯珠进行建模：如图7-9所示，是利用CAD软件设计确定的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的灯珠布置的结构图；可替换式LED前大灯采用1.6mm*1.6mm的大功率灯珠阵列，每个灯珠的热阻约0.4C/W。
步骤S2：对LED灯具和LED灯珠模型进行简化：采用多尺寸网格划分的方法，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。本实施例中，采用Icepak软件实现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前大灯以及可替换式车灯基板上的灯珠模型进行简化；对于已知灯珠热阻和灯珠功率的情况下，可以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(芯片间热阻包括LED灯珠热阻与锡膏层热阻)考虑进去，得到灯珠的结温：
Tjunction＝Tsubstrate+(Rdie+RSolder)×P. (3)
其中，Tjunction为结温，Tsubstrate为基底表面温度，Rdie为灯珠热阻(灯珠自身参数，购买灯珠时厂家提供)，RSolder为锡膏层热阻(锡膏的参数，由锡膏厂商提供)，P为灯珠发热功率(灯珠自身参数，购买灯珠时厂家提供)，考虑到灯珠和焊锡层的热阻，根据公式(3)，可替换式LED前大灯的结温大约为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，
1.在常温下25℃，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℃<120℃，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(车厢内温度约65℃)，灯珠将失效；
2.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℃下工作的要求，但在车厢内环境工作时(车厢内温度约65℃)，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，在常温下(25℃)，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(约65℃)， 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。
根据上述结论，对可替换式LED前大灯设计提出修改方案：1.可以采用合成射流器对可替换式LED前大灯进行辅助散热；2.可替换式LED前大灯的基板上芯片的布置应尽量靠近散热器一端，这样能有效降低芯片与基板接触处至散热器尾端的热阻。
在可替换式LED前大灯的基础上，提出了一种借助斯特灵电动机的反馈式LED灯具结构，如图10所示，其工作原理为：将斯特灵电动机的热端置于LED发光单元背面，冷端置于空气中，车灯工作时，LED光源发热，驱动电动机发电，这部分电可用于驱动合成射流喷射器，射流喷射器产生射流，冷却LED芯片；此装置能够实现主动反馈，当LED芯片停止工作时，不产生热量，斯特灵电动机与射流喷射器也自动停止；该装置能够将LED灯珠产生的多余热量装化为有用功，为灯具散热，不仅提高了能源的使用效率，而且有效保证LED灯的可靠性。
本LED灯设计验证方法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，对灯具工作时的各个部位的热量及其散热要求进行模拟验证，得出合理的导热布置和散热方案，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，使LED灯在工作时得到及时合理的散热，从而使LED芯片工作在安全温度下，大大地提高了LED芯片的光效、寿命和可靠性，使其满足生产和使用要求。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (1)
1.一种LED灯设计验证方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：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；
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： （3），其中，为结温，为基底表面温度，为灯珠热阻，为锡膏层热阻，为灯珠发热功率；
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S1：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：λMCPCB=12.3W/（m·K），其计算公式为
（1）
（1）式采用了串联热阻公式计算，其中，表示铝基印刷电路板的热导率，表示铝基印刷电路板的总厚度=++，表示铜电路层的厚度，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，表示铝基板的厚度，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λDBC=193.6W/（m·K），其计算公式为
（2）
（2）式采用了串联热阻公式计算，其中，表示直接键合铜板的热导率，表示直接键合铜板的总厚度=++，表示铜电路层的厚度，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，表示铜基底的厚度，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：
（3）
其中，为结温，为基底表面温度，为灯珠热阻，为锡膏层热阻，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107°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10 m/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12.3W/（m·K）<直接键合铜板的等效热导率为193.6W/（m·K），COB封装灯珠的散热性能要优于仿流明灯珠的散热性能，是因为DBC板的散热性能好，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；
当LED灯为可替换式LED前大灯时，具体包括以下步骤：
步骤S1：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1.6mm*1.6mm的大功率灯珠阵列，每个灯珠的热阻为0.4℃/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：
（3）
其中，为结温，为基底表面温度，为灯珠热阻，为锡膏层热阻，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为118°C<结温120°C，在LED灯的安全工作温度内，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：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。
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