孫學耕 林火養(yǎng)(福建信息職業(yè)技術學院,福建福州 350019)

大功率LED路燈散熱器優(yōu)化設計方法研究

孫學耕 林火養(yǎng)
(福建信息職業(yè)技術學院,福建福州 350019)

本文根據(jù)試驗設計法(DOE)的策略流程,利用響應面設計法(RSM)中的中心復合設計(CCD)來進行大功率LED燈具散熱器的設計研究。以鋁材料鰭片型散熱器的設計為范例,研究了散熱器的熱傳導系數(shù)、底板厚度、鰭片厚度、鰭片間距、鰭片數(shù)量、LED分布等參數(shù)對散熱器的影響,以及參數(shù)與參數(shù)之間的相互制約關系,提出了一個通用的散熱器優(yōu)化設計方法。

DOE;RSM;LED;散熱器;優(yōu)化

一、引言

LED照明作為綠色照明已經(jīng)得到了廣泛的認識和推廣,雖然量產(chǎn)化的LED發(fā)光效率已經(jīng)達到了100Lm/W,但是LED的電光轉(zhuǎn)換效率依然只有10～15%,其余85～90%的電能則轉(zhuǎn)換成熱能,進而造成組件溫度提高,降低發(fā)光效率與組件壽命,甚至造成永久光衰。以1瓦的大功率LED為例,圖1與圖2顯示在不同驅(qū)動電流下,LED結(jié)溫與光通量(Lm)和色溫(CCT)的變化關系。由圖1可知,在300mA驅(qū)動電流下,當接腳溫度由室溫25℃升高至60℃時,光通量衰減約10%,若升高至90℃則衰減約20%;圖2表明在同樣的驅(qū)動電流下LED結(jié)溫越高色溫也越高。因此,LED的散熱設計對減少光衰和穩(wěn)定色溫非常的重要。但是一個LED照明產(chǎn)品必須兼顧成本與性能,如光通、燈具尺寸、燈具溫度、燈具重量等,其中散熱器對燈具成本得影響非常的大,所以散熱器需要根據(jù)各種參數(shù)做一個優(yōu)化設計。

二、散熱器的DOE設計

對于大功率的LED燈具,若單純從散熱的角度去考慮,散熱的成本將非常高。考慮到要將LED普及于一般照明市場,就必須將散熱成本控制在一定的程度,同時又能把LED的結(jié)溫控制在一定的水平內(nèi)。散熱器的性能指標主要包括散熱器溫度、均溫性、尺寸、重量。

自然封流與輻射是最常被考慮的方法。本文以鋁材料散熱鰭片的設計為例,在鰭片散熱器最高溫度、均溫性、尺寸、重量等多重參數(shù)的限定下,考慮底板厚度、鰭片厚度、鰭片數(shù)目、LED分布與材料熱傳導性能等設計因子對散熱器性能的影響程度。傳統(tǒng)的設計方法習慣采用一次只變動一個設計因子(One Factor at a Time,OFAT),而其它的設計因子保持不變,來得到所想要觀察的結(jié)果。OFAT方法雖然簡單易行,卻沒有辦法觀察到多個設計因子之間的交互作用對結(jié)果所造成的現(xiàn)象,從而有可能導致誤判。當需要考慮多個設計因子要同時滿足多重設計條件時,多個設計因子之間又會出現(xiàn)互相制約而必須采用一些折衷的辦法時OFAT方法就顯現(xiàn)出明顯的不足了。為此本文研究采用CCD做一個系統(tǒng)性的設計分析,來分析各種設計參數(shù)對散熱器的影響程度。

根據(jù)DOE的策略流程,在初始設計階段,存在很多可能的設計因子,必須要先理清哪些因子才是重要的少數(shù)設計因子。策略流程圖建義以一階多項式(式1)的DOE分辨出各種設計因子的影響程度。

其中y是反應變數(shù),x是第i個設計因子。第二階段為突破性實驗,這時候要分析各設計因子之間的交互作用,以具有交互作用的一階多項式(式2)的DOE確認交互作用是否存在。

其中βji是交互作用項的影響系數(shù)。到此,已經(jīng)掌握了約75%的系統(tǒng)特性。如果想要進一步優(yōu)化多重變數(shù),就要采用二階多項式(式3)的響應面設計法(RSM)。

CCD即為RSM的方法之一,在使用RSM時,所得到的響應面方程式可以進一步做魯棒設計。在面臨對問題一無所知的情況時,DOE策略流程建議的初探與突破性實驗階段,對解決問題起著相當大的幫助。散熱器的各個設計因子如表1所示,本文直接使用CCD,尋求一快速合理的方法來優(yōu)化散熱器的設計。

表1 DOE設計因子與因子水平說明

圖3列出設計模型的基本架構(gòu),筒化后的模型包括LED晶片、LED封裝結(jié)構(gòu)、電路板(PCB)和散熱器(發(fā)光二極管(LED):16顆大功率LED(4×4陣列),1.25W/顆; LED芯片熱傳導系數(shù)=50 Watt/m-K;LED襯底熱傳導系數(shù)=260 Watt/m-K;PCB厚度:1.0mm;鋁散熱器底板面積:10cm x 10cm)。

表2列出了實驗設計中的設計因子與因子水平,因子水平的設定已經(jīng)考慮制造加工上是否可行,例如鰭片長度最長為70mm。為避免不同因子水平的高低值差距過大導致對觀察反應值的扭曲,將因子A～G的變動范圍均事先規(guī)一化為無因次的水平高低-1.0～1.0,并以小寫符號a,b,c, d,e,f,g代表。表2則是評價散熱器性能的指標,經(jīng)由CCD的實驗設計手法與模擬分析結(jié)果,可以得到具交互作用的一階多項式(式5)～(式8),并列表如表3。

圖3 燈具散熱結(jié)構(gòu)分析模型示意圖

表2 DOE觀察反應值說明

其中TJ為晶片的結(jié)溫,Tb為鰭片底板溫度,P為LED總發(fā)熱瓦數(shù),可以計算出鰭片底板的最高設計溫度必須低于60℃。所以本文將設計規(guī)格定義為散熱器重量低于250g,散熱器底板溫度低于60℃。

表3 具交互作用的一階多項式(式2)系數(shù)列表

由表3可知,個別因子(A,B,C,D,E,F,G)的水準高低對性能指標的影響與部分因子交互作用(DE,FG, CD,CE)對性能指標的影響程度。分析鰭片底板的最高溫度反應值,發(fā)現(xiàn)鰭片長度是最重要的設計因子。當鰭片長度從30mm變動為70mm時(即因子c水準變化△c=1-(-1)=2),根據(jù)(6式),即鰭片底板的最高溫度降低達9. 80℃。而在自然對流情況下,使用最好的散熱器材料熱傳導系數(shù)(200Watt/m-K),鰭片底板的最高溫度僅減小2. 6℃。當選定Tb≤60℃,W≤250g,A=85Watt/m-K,D= 1.0mm,E=12,F=2.0mm,G=25.0mm時,由式(6)與式(8)分別可以得到:

根據(jù)式(9)和式(10)的不等式解可繪制出圖4重疊區(qū)域,即灰色重疊區(qū)表示可以同時滿足鰭片底板最高溫度低于60℃和散熱器重量低于250g的復數(shù)解區(qū)域。

同樣的方法可以繪制出圖5至圖9,最后利用重疊圖4至9,就可以快速找到符合設計規(guī)格的設計因子水準。

最后,經(jīng)過CCD方法優(yōu)化后,選用散熱器材料熱傳導值80Watt/m-K、底板厚度2mm、鰭片厚度1mm及鰭片數(shù)目為12片(此時鰭片間距7.5mm)的散熱器。由CCD反應曲面擬合式推估鰭片底板的最高溫度57.4℃,以此設計因子水平再次進行多重目標優(yōu)化后的模型分析設計。筆者在產(chǎn)品研發(fā)中根據(jù)此設計模型加工出的散熱器樣品,經(jīng)測試樣品的溫度分布顯示鰭片底板的最高溫度55.9℃,與CCD所推估的溫度值很接近(相差1.5℃)。因此,可以利用所建立的CCD反應曲面擬合式做為散熱器選用時的快速優(yōu)化工具。

三、結(jié)論

DOE的優(yōu)點在于提供一個系統(tǒng)化的設計方法,開展對各設計因子靈敏度分析并研究設計因子間的交互作用影響,而CCD方法更可以提供多重目標優(yōu)化的設計手法,缺點則是會使整個設計流程變得繁瑣與冗長。通常對于一個全新的散熱結(jié)構(gòu),初次設計時可以利用DOE方法,在眾多設計因子中尋找出重要的設計因子與交互作用,后續(xù)類似的設計就可以直接對重要的設計因子與交互作用進行分析。

本文提供一個系統(tǒng)化的設計方法,以16顆1瓦高功率LED與鋁基板散熱器為例,利用實驗設計方法與最終的樣品驗證,確實可以在LED照明產(chǎn)品的散熱設計上取得一個均衡的設計,得到較高的性價比。本文所建立的CCD反應曲面擬合式可做為散熱器選用時的快速優(yōu)化設計方法。

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TM 923.34

B

1008-7508(2012)07-00001-04

智能自適應LED路燈開發(fā)及光色度測量分析應用,福建省科技廳2010年產(chǎn)學重大合作項目,項目編號:2010H6005

2012-04-06

孫學耕(1968～),河北玉田人,福建信息職業(yè)技術學院副教授,研究方向:光電器件的研究及應用;林火養(yǎng)(1980～),福建漳洲人,光學工程碩士,研究方向:半導體照明器件的研究及應用。