CN108170916A - 利用光电热耦合理论的led芯片空间排布优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用光电热耦合理论的LED芯片空间排布优化方法。本发明首先依据特定的光源结构，将其LED的位置进行编号；其次通过仿真建立热阻矩阵并依据热阻矩阵计算各个LED的结温变化情况；然后通过遗传算法求解所有LED结温变化和最小；最后确定LED最优空间排布。本发明提出的热阻矩阵可以方便计算出每一个LED的结温升。通过使用算法能快速准确的确定最佳的LED空间排列。光源系统的整体温升降低可以保证工作性能的提升。

Description

利用光电热耦合理论的LED芯片空间排布优化方法
技术领域
本发明涉及一种多个LED芯片空间排布的优化方法，尤其涉及基于光电热耦合理论对多LED在明确空间规则前提下的空间排布的优化方法。
背景技术
LED作为一种固态照明人工光源，由于具有发光效率高、寿命长、体积小、能耗低、光谱丰富等特点，在太阳光模拟器、室内照明光源、路灯照明光源、植物工厂照明等方面有广泛应用。LED在工作过程中，其光学参数如发光效率、光通量、光功率，电学参数如驱动电流、驱动电压，和热参数如结温、热阻、热耗散系数相互影响，具有光电热耦合效应。
采用多LED芯片阵列排布方式可克服单芯片在输出功率上的局限性，满足高功率辐照度输出的需求。同时，多芯片之间存在热扩散耦合效应，单个LED的结温升高来源于自身及相邻其他LED芯片之间的热耦合。结温升高将影响LED的发光效率、寿命等参数。
目前对LED的热管理问题研究非常广泛。Bender[1]等人提出了一种基于相同类型LED的电热模型和以升降压变换器作为LED电路的电流驱动的控制系统。模型综合考虑到电路和光源的电热特性，控制系统提出了电流变化规律和保证LED工作在最佳的温度以达到理想的工作性能。Hui[2]等人提出了一种基于LED的光电热耦合特性的LED系统的动态热模型和跟踪最佳功率点的控制策略。这个控制策略通过测量环境温度和LED系统的散热片温度动态的获得LED系统的最佳工作点以获得最大光通量。福州大学[3]研究者们针对在恒流驱动状态下的LED不适宜应用在温度变化大或者精度要求高的场合，考虑到只有正向电流才控制光通量的输出主要因素，提出了新的以容易获取的正向电压、电流为变量的恒定光通量的方法作为理论模型，能有效降低由于温度升高引起的LED光通量的衰减。在以上的LED光电热耦合理论中针对的都是同种型号的LED建立电热模型，而在实际应用中通常为了达到特定要求，普遍使用高低功率混合应用的光源系统，因此会产生不可避免的热耦合效应。卢红丽[4]等人针对多芯片LED的大功率系统对先进的热管理技术的需求逐渐提高，提出了一种基于热耦合矩阵的能精确预测多芯片LED的温度分布的热耦合模型，并通过实验验证了模型的准确性。邱宝军[5]等人针对多芯片组件(MCM)传统热阻表示方法的不足，基于线性叠加原理，采用有限元模拟技术，提出了MCM的结到壳的热阻表示方法——热阻矩阵，并利用有限元模拟方法对热阻矩阵进行了验证。采用热阻矩阵方法预测器件结温的误差是足够接受的。在发明专利(CN 105843979A)中[6]，针对LED多芯片模块的结温测量问题提出了一种基于芯片间的热阻矩阵进行快速测量模块中结温分布的方法。并通过模块阵列排布的对称性减少需要测试芯片的数量，降低热阻矩阵的计算量。在实用新型专利(CN205579208U)中[7]，公开了一种阵列且相间排布高低色温的LED光源的方法。
参考文献
[1]Vitor Cristiano Bender,Ronaldo Antonio Guisso,Rafael AdaimePinto.An Extended Design Methodology for LED Lighting Systems IncludingLifetime Estimation[J].IEEEtransactions on electron devices,2016,63(12):4852-4859
[2]S.Y.R.Hui,Y.X.Qin,Comparative Study on the Structural Designs ofLED Devices&Systems Based on the General Photo-Electro-Thermal Theory[J].IEEETransactions on Power Electronics,2009.2(3):2833-2839.
[3]Xiangyu Huang,Yuzhen Xu,Weiming Lin.A New Method of LED JunctionTemperature Modeling and Measurement[J].China International Forum on SolidState Lighting,2017:48-51.
[4]Honhli Lu.Efficient Measurement of Thermal Coupling EffectsonMultichip Light-Emitting Diodes[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2017,12(32):9280-9292.
[5]邱宝军，何小琦.多芯片组件热阻技术研究[J].电子元件与材料,2005,24(11):56-58.
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种适用于在光源结构固定的情况下确定LED最优空间排布的方法，从而降低热耦合效应。
本发明的具体步骤如下：
①依据特定的光源结构，将其LED的位置进行编号；
②通过仿真建立热阻矩阵；
③依据热阻矩阵计算各个LED的结温变化情况；
④通过遗传算法求解所有LED结温变化和最小；
⑤确定LED最优空间排布；
本发明适用于任意的结构固定的光源，为了方便说明该方法设计了两种光源结构分别为3*3和4*4阵列。
首先对光源结构中的LED进行编号，以3*3阵列为例，按照从左到右从上到下依次编号1-9。4*4阵列进行编码方式类似。
如何准确的建立热阻矩阵，是决定LED最优空间排布的准确性的关键环节。
对于安装在基板上的单个LED，在工作时产生的热量在散热同道上传输，其热阻R可由公式(1)计算得出。
R＝ΔT/P(1)
对于具有多种类型的LED的光源，每个LED的结温升不仅由自身产生的热量引起，还受到周围LED由于热耦合效应传递的热量引起。由热阻的定义可知，光源中的第i个LED的自身热阻为Ri，功率为Pi，自身的温升为ΔTi＝Ri*Pi。但由于热耦合效应的存在，设第i、j个LED之间的横向热阻为Rij，第j个LED的热功率为Pj，因此使得第i个LED的温升增加ΔTij(i≠j)，
热耦合效应可由热阻矩阵形式表达，建立的热阻矩阵如下式(2)：
其中ΔT1，ΔT2，···，ΔTN分别表示第1个LED，第2个LED到第N个LED的结温升，P1，P2，···，PN表示第1个LED，第2个LED到第N个LED的热功率。
在光源结构固定时热阻矩阵具有唯一性，耦合热阻是与距离有关，与热功率无关的系数，随着距离增加耦合热阻减少。
根据热阻矩阵，方便的将LED的热功率与结温联系起来。
为了快速准确的获得最优的LED空间排列，权衡粒子群容易陷入局部最优解，所以选择遗传算法。
通过遗传算法寻优所依据的目标函数是：
本发明在3*3和4*4的LED阵列排布中使用仿真的方式得到验证。
排布方法根据所用的功率类型，将大功率LED排布在外围边角处，小功率的排布在内部。
本发明针对固定结构的LED光源，提出了一种基于热阻矩阵结合遗传算法最终确定最佳LED空间排列的方法。本发明具有以下有益效果：
①本发明提出的热阻矩阵可以方便计算出每一个LED的结温升。
②通过使用算法能快速准确的确定最佳的LED空间排列。
③光源系统的整体温升降低可以保证工作性能的提升。
附图说明
图1光源结构3*3和4*4，其中
图1-a为3*3阵列结构
图1-b为3*3阵列结构
图2遗传算法的流程图
图3LED真实结构模型
①PCB板②芯片基板③芯片④导热胶⑤散热基板
图4 3*3阵列优化以及对照组的仿真结温分布。
图4-a遗传算法优化组仿真结温分布
图4-b实验对照组1仿真结温分布
图4-c实验对照组2仿真结温分布
图5 4*4阵列优化以及对照组的仿真结温分布。
图5-a遗传算法优化组仿真结温分布
图5-b实验对照组1仿真结温分布
图5-c实验对照组2仿真结温分布
具体实施方式
①为方便理解，按照从左到右从上到下的方式对光源结构中的LED进行编号
②通过软件对LED进行热仿真，计算各个位置结温值
③通过结温建立热阻矩阵
④通过matlab进行遗传算法仿真
⑤根据寻优结果确定LED的空间排布
以下实施案例结合附图对本发明作进一步的说明。
下面首先简述热阻矩阵的获得方法。
对于安装在基板上的单个LED，在工作时产生的热量在散热同道上传输，其热阻R可由公式(1)计算得出。
R＝ΔT/P(1)
对于具有多种类型的LED的光源，每个LED的结温升不仅由自身产生的热量引起，还受到周围LED由于热耦合效应传递的热量引起。由热阻的定义可知，光源中的第i个LED的自身热阻为Ri，功率为Pi，自身的温升为ΔTi＝Ri*Pi。但由于热耦合效应的存在，设第i、j个LED之间的横向热阻为Rij，第j个LED的热功率为Pj，因此使得第i个LED的温升增加ΔTij(i≠j)，
热耦合效应可由热阻矩阵形式表达，构建的热阻矩阵如下式(2)：
其中ΔT1，ΔT2，···，ΔTN分别表示第1个LED，第2个LED到第N个LED的结温升，P1，P2，···，PN表示第1个LED，第2个LED到第N个LED的热功率。
在光源结构固定时热阻矩阵具有唯一性，耦合热阻是与距离有关于热功率无关的系数，随着距离增加耦合热阻减少。
根据热阻矩阵，方便的将LED的热功率与结温联系起来。
为了快速准确的获得最优的LED空间排列，权衡粒子群容易陷入局部最优解，所以选择遗传算法。
通过遗传算法寻优所依据的目标函数是：
算法的流程图参见附图2。
以下结合LED光源的排布方式为3*3和4*4的阵列作为实施案例对本发明的详细内容进行说明。
实施案例1
LED的3*3阵列结构如图1-a所示，图中的数字表示LED的编号，每个LED的热功率与数量分配如表1所示。
表1LED的功率类型及数量安排
功率(W) 0.29 0.86 1.46 2.22 2.97
数量(枚) 2 2 1 2 2
仿真实验步骤如下：
(1)首先建立如图3所示的LED几何模型，结构参数如表2，材料如表3
表2LED模型的各层尺寸
层 芯片③ 导热胶④ 芯片基板② PCB板① 散热基板⑤
长度(mm) 3.5 3.5 3.5 60 60
宽度(mm) 2.8 2.8 2.8 50 50
厚度(mm) 0.17 0.01 0.5 1 5
表3LED各层的导热材料
层 芯片 导热胶 芯片基板 PCB板 散热基板
材料 铟氮化稼 有机硅 氮化铝 铜 铝
热导率(W/mm2·℃) 126 50 320 460 180
(2)上述模型导入热仿真软件中，设置环境温度为22℃，热对流系数为0.01W/mm2·℃以及热生成率等必要参数，进行热仿真。按照编号排列选择排列好的热功率值分别进行仿真，测量各个结温值。对单个LED工作时由于热耦合效应的存在仿真得到的对其他位置处的耦合结温值如表4所示。
表4单个LED的热耦合结温表
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 22.23 22.56 22.56 22.23 22.33 22.40 22.60 22.16 22.05
2 22.07 23.78 22.75 22.19 22.39 22.50 22.56 22.17 22.06
3 22.06 22.56 24.38 22.16 22.33 22.59 22.50 22.16 22.06
4 22.08 22.50 22.54 22.69 22.37 22.42 22.79 22.19 22.05
5 22.07 22.59 22.66 22.22 23.17 22.56 22.66 22.23 22.07
6 22.05 22.50 22.80 22.16 22.37 23.77 22.54 22.19 22.08
7 22.06 22.42 22.50 22.23 22.33 22.41 24.38 22.22 22.06
8 22.06 22.45 22.56 22.19 22.39 22.50 22.75 22.69 22.07
9 22.05 22.42 22.60 22.16 22.33 22.60 22.56 22.22 22.23
(3)根据测量得到的结温情况，根据热耦合公式计算热阻矩阵。热阻矩阵如下：
0.800 0.252 0.188 0.269 0.224 0.182 0.201 0.190 0.167
0.252 0.800 0.252 0.224 0.266 0.223 0.190 0.201 0.190
0.189 0.253 0.800 0.183 0.224 0.268 0.168 0.190 0.201
0.268 0.224 0.183 0.797 0.252 0.188 0.268 0.223 0.183
0.224 0.267 0.223 0.252 0.797 0.251 0.223 0.267 0.223
0.183 0.224 0.269 0.190 0.252 0.799 0.182 0.224 0.269
0.202 0.190 0.167 0.269 0.224 0.182 0.800 0.252 0.188
0.190 0.201 0.190 0.224 0.269 0.223 0.253 0.800 0.252
0.168 0.190 0.202 0.183 0.224 0.268 0.189 0.254 0.800
从热阻矩阵参数可以看处出，热阻矩阵与热源功率无关，只与距离有关。所以固定热源结果之后，就唯一确定的热阻矩阵。之后再进行另一组仿真验证所得热阻矩阵的正确性。
(4)将热阻矩阵导出的结温变化作为遗传算法的目标函数，进行遗传寻优。算法优化步骤参考图2。
(5)根据算法优化的结果，确定最终的LED空间排列。附图4表示的就是优化以及对照组的仿真结温分布。
实施案例2
LED的4*4阵列结构如图1-b所示，图中的数字表示LED的编号，每个LED的热功率与数量分配如表5所示。
表5LED的功率类型及数量安排
功率(W) 0.29 0.86 1.46 2.22 2.97
数量(枚) 3 3 4 3 3
仿真实验步骤如下：
(1)首先建立如图3所示的LED几何模型，结构参数如表2，材料如表3。
(2)同样在上述模型导入热仿真软件中，设置环境温度为22℃，热对流系数为0.01W/mm2·℃以及热生成率等必要参数，进行热仿真。按照编号排列选择排列好的热功率值分别进行仿真，测量各个结温值。对单个LED工作时由于热耦合效应的存在仿真得到的对其他位置处的耦合结温值如表6所示。
表6单个LED的热耦合结温表(℃)
结温 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
1 23.05 22.49 22.50 22.42 22.20 22.29 22.36 22.42 22.05 22.15 22.22 22.30 22.04 22.04 22.12 22.18
2 22.32 23.60 22.66 22.50 22.17 22.34 22.44 22.48 22.05 22.15 22.25 22.33 22.04 22.04 22.13 22.20
3 22.25 22.49 24.14 22.66 22.14 22.29 22.52 22.59 22.04 22.15 22.26 22.38 22.04 22.04 22.13 22.22
4 22.21 22.37 22.66 24.14 22.12 22.24 22.44 22.69 22.04 22.13 22.25 22.40 22.04 22.04 22.13 22.22
5 22.34 22.44 22.48 22.42 22.62 22.32 22.37 22.42 22.07 22.17 22.24 22.31 22.05 22.05 22.13 22.20
6 22.29 22.52 22.59 22.48 22.19 23.05 22.49 22.50 22.06 22.20 22.29 22.36 22.05 22.05 22.15 22.22
7 22.24 22.44 22.69 22.59 22.15 22.32 23.60 22.65 22.05 22.17 22.34 22.44 22.04 22.05 22.15 22.25
8 22.20 22.36 22.59 22.69 22.12 22.25 22.49 24.14 22.04 22.14 22.29 22.52 22.04 22.04 22.15 22.26
9 22.26 22.38 22.45 22.40 22.20 22.29 22.36 22.42 22.21 22.19 22.25 22.32 22.07 22.06 22.14 22.20
10 22.25 22.40 22.50 22.45 22.17 22.34 22.44 22.48 22.06 22.62 22.32 22.37 22.06 22.07 22.17 22.24
11 22.22 22.38 22.53 22.50 22.14 22.29 22.52 22.59 22.05 22.19 23.05 22.49 22.05 22.06 22.20 22.29
12 22.20 22.33 22.50 22.53 22.12 22.24 22.44 22.69 22.04 22.15 22.32 23.60 22.04 22.05 22.17 22.34
13 22.22 22.33 22.41 22.37 22.15 22.25 22.34 22.40 22.07 22.17 22.24 22.31 22.21 22.06 22.15 22.21
14 22.22 22.34 22.44 22.41 22.15 22.26 22.38 22.45 22.06 22.21 22.29 22.36 22.07 22.21 22.19 22.25
15 22.20 22.33 22.45 22.44 22.13 22.25 22.40 22.50 22.05 22.17 22.34 22.44 22.05 22.07 22.62 22.32
16 22.18 22.31 22.44 22.45 22.12 22.22 22.38 22.53 22.04 22.14 22.29 22.52 22.04 22.05 22.19 23.05
(3)根据测量得到的结温情况，根据热耦合公式计算热阻矩阵。由于热阻矩阵与热源功率无关，只与距离有关。所以固定热源结果之后，就唯一确定的热阻矩阵。之后再进行另一组仿真验证所得热阻矩阵的正确性。热阻矩阵如下：
0.72 0.22 0.17 0.14 0.23 0.20 0.16 0.14 0.18 0.17 0.15 0.13 0.15 0.15 0.14 0.12
0.22 0.72 0.22 0.17 0.20 0.23 0.20 0.16 0.17 0.18 0.17 0.15 0.15 0.15 0.15 0.14
0.17 0.22 0.72 0.22 0.16 0.20 0.23 0.20 0.15 0.17 0.18 0.17 0.14 0.15 0.15 0.15
0.14 0.17 0.22 0.72 0.14 0.16 0.20 0.23 0.13 0.15 0.17 0.18 0.12 0.14 0.15 0.15
0.23 0.20 0.16 0.14 0.72 0.22 0.17 0.14 0.23 0.20 0.16 0.14 0.18 0.17 0.15 0.13
0.20 0.23 0.20 0.16 0.22 0.72 0.22 0.17 0.20 0.23 0.20 0.16 0.17 0.18 0.17 0.15
0.16 0.20 0.23 0.20 0.17 0.22 0.72 0.22 0.16 0.20 0.23 0.20 0.15 0.17 0.18 0.17
0.14 0.16 0.20 0.23 0.14 0.17 0.22 0.72 0.14 0.16 0.20 0.23 0.13 0.15 0.17 0.18
0.18 0.17 0.15 0.13 0.23 0.20 0.16 0.14 0.72 0.22 0.17 0.14 0.23 0.20 0.16 0.14
0.17 0.18 0.17 0.15 0.20 0.23 0.20 0.16 0.22 0.72 0.22 0.17 0.20 0.23 0.20 0.16
0.15 0.17 0.18 0.17 0.16 0.20 0.23 0.20 0.17 0.22 0.72 0.22 0.16 0.20 0.23 0.20
0.13 0.15 0.17 0.18 0.14 0.16 0.20 0.23 0.14 0.17 0.22 0.72 0.14 0.16 0.20 0.24
0.15 0.15 0.14 0.12 0.18 0.17 0.15 0.13 0.23 0.20 0.16 0.14 0.72 0.22 0.17 0.14
0.15 0.15 0.15 0.14 0.17 0.18 0.17 0.15 0.20 0.24 0.20 0.16 0.22 0.72 0.22 0.17
0.14 0.15 0.15 0.15 0.15 0.17 0.18 0.17 0.16 0.20 0.23 0.20 0.17 0.22 0.72 0.22
0.13 0.14 0.15 0.15 0.13 0.15 0.17 0.18 0.14 0.16 0.20 0.24 0.14 0.17 0.22 0.72
(4)将热阻矩阵导出的结温变化作为遗传算法的目标函数，进行遗传寻优。算法优化步骤参考图2。
(5)根据算法优化的结果，确定最终的LED空间排列。附图5表示的就是优化以及对照组的仿真结温分布。
本发明针对多类型LED之间存在热耦合效应导致光源性能等降低明显，提出了一种基于热阻矩阵结合遗传算法的确定多功率类型的LED最佳空间排布的方法，从而提高LED的性能，并分别在3*3和4*4的LED光源结构下进行了仿真验证。

Claims (2)

1.利用光电热耦合理论的LED芯片空间排布优化方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1、依据光源结构，将LED的位置进行编号；
步骤2、通过仿真建立热阻矩阵；
步骤3、依据热阻矩阵计算各个LED的结温变化情况；
步骤4、通过遗传算法求解所有LED结温变化和最小；
步骤5、确定LED最优空间排布。
2.根据权利要求1所述的LED芯片空间排布优化方法，其特征在于：所述热阻矩阵表达式为：
其中ΔT1，ΔT2，···，ΔTN分别表示第1个LED，第2个LED到第N个LED的结温升，P1，P2，···，PN表示第1个LED，第2个LED到第N个LED的热功率，Rij表示第i、j个LED之间的横向热阻。
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