LED照明产品的热仿真——散热方案的分析和优化

1 数值计算方法及热仿真软件

数值计算就是把计算域内有限数量位置（网格节点）上的因变量值当作基本的未知量，并根据要求解的控制方程（微分方程）提供一组关于这些未知量的代数方程，以及求解这组方程的算法，从而在每一个网格节点上直接求解控制方程的方法。随着电脑性能的提高和数值计算方法的发展，数值计算已经发展成为与试验（测试）、以及理论分析相并列的第三种研究方法。

热仿真就是利用数值计算方法对流动与传热问题进行求解。电子产品热仿真需要求解的控制方程主要包括质量守恒方程（连续性方程）、动量方程（运动微分方程）、能量方程以及求解湍流N-S方程所需要的补充方程等。

热仿真使用的软件即流体动力学（CFD：Computational Fluid Dynamics）数值计算软件。理论上所有的CFD（Computational Fluid Dynamics：流体动力学）软件都可以作为电子产品热仿真的软件。但是需要注意的是一些3D 绘图软件如Ansis，Solidworks，ProE等自带的热仿真模块因为采用了不同的求解方法，这些模块都把对传热系数h 这一因变量作为自变量直接输入，而不是通过求解控制方程得到，都不能作为电子产品热仿真的软件。

CFD软件大体可以分为通用CFD软件、工程化的CFD软件和电子散热专用热仿真软件三类。一般情况下，通用CFD软件(如FLUENT 等)对用户的专业知识背景要求较高，并且软件操作较复杂。电子散热专用软件是专门针对电子产品散热设计开发的热仿真软件，对用户CFD专业知识背景要求较低，操作也较简单，并且提供了大量的电子散热常用组件，这类软件主要包括Flotherm 和Icepak 等。工程化的CFD软件性能介于通用CFD软件与电子散热专用软件之间，其采用工程化的操作界面，操作较简单，计算能力较强。如CFDesign和FloEFD都能够方便地导入CAD 模型，并且还增加了部分常用的电子散热组件。

LED照明产品由于种类繁多、结构多变，使用工程化的CFD软件便于直接导入CAD模型较快地进行热仿真分析。推荐使用Mentor Graphics 公司热仿真软件FloEFD 对LED照明产品进行热仿真。

2 热仿真的特点

热仿真模型的建立包括几何模型的导入或建立、环境变量（环境温度、风速、重力方向及大小等）设置、求解域大小设定、网格划分、计算收敛标准设定、材料属性（密度、比热容、导热系数、表面的发射率，即热辐射率等）定义、热源设置等。热仿真开始前需要正确定义以上每一项内容，以得到正确的结果。

一般情况下，热仿真模型都需要对产品的几何模型进行简化。因为一些尺寸较小的特征和零部件往往会极大地增加网格数量，不但增加计算量，而且会降低网格质量，影响计算精度。这些小的特征和零部件对产品散热的影响一般都较小，如果对散热影响较大也可以通过估算的方式评估该影响。一般，需要进行简化的特征及零部件主要包括：

（1）较小尺寸的特征：如螺纹、导角、非散热的孔、翅片波纹等；

（2）较小尺寸的零部件：如螺丝、弹簧、卡扣等；

（3）较小热流密度的接触热阻：如1W/cm2以下的接触热阻等（对于某些热仿真软件，如FloEFD等，软件有提供模拟接触热阻的组件，可以采用接触热阻组件模拟接触热阻。）；

（4）热源的简化：

对于LED照明产品来说，热仿真主要分为系统级（照明产品）及封装级的仿真两个层级。对于系统级热仿真，一般将LED简化为均匀的体热源，计算出来的温度作为LED管脚的温度，LED的结温需要利用LED的封装热阻及功率进行计算；

LED封装级的热仿真是为了优化LED封装的结构，减小LED的封装热阻，所以要考虑LED的详细结构。

4 热仿真结果分析

热仿真结果主要包括温度、速度（流动）及热流分布（热量传输途径）的结果。

对于模型中的温度分布，主要注意模型中温度梯度较大（温度变化较快）的区域或者环节，以便改进散热设计。

对于模型中的流场分布，主要注意流场中流动较弱（流速较小）或流动死区以及有回流发生的区域，以便改进流道设计。

图2 某LED灯具腔体内的流场分布

对于模型中的热流分布，主要注意其中热流较为集中（热流密度较大）的区域，可以考虑适当增加材料以减小热流密度。

图3 某LED照明产品灯体的热流分布

热仿真方法由于其快速、便捷的特点，可以方便、经济地对各种散热方案进行分析对比，以及对同一散热方案进行多参数的优化设计。所以，热仿真在电子产品及LED照明产品的散热设计中越来越发挥出重要的作用。