[发明专利]一种LED灯设计验证方法及其在外挂灯和前大灯的应用

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。

主权项

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。