近年來，LED照明市場呈現爆炸性增長，這是由于受到多個因素的驅動，其中綠色立法和環境問題是最重要的因素。LED比傳統光源（如白熾燈）效率高得多，比熒光燈更環保，不含汞，并且可以調整顏色和亮度。因此，LED用途很廣泛，可用于專業、工業和消費應用。但是，固態照明產品的設計是一個復雜的多學科問題。在這里，我們將重點討論散熱問題，以及熱模擬如何幫助開發團隊開發出可靠的、符合外形尺寸和性能的產品（圖1）。

圖1. 熱模擬A燈以及成品 （圖片來源：Future Facilities Limited）

事實上，LED燈的使用壽命（通常在25000-50000小時之間）并不能完全實現，固態照明產品性能有時會隨著時間的推移而退化。性能（光輸出的質量和數量、使用壽命、顏色維持和其他參數）與燈具或替換燈內的溫度密切相關。對于給定的環境，燈具的設計如何有效地消散內部產生的熱量與溫度直接相關。

1 設計挑戰

另外兩個相關因素也影響了LED照明的長期可靠性：用于LED驅動電路儲能的鋁電解電容器，以及市場需求驅動照明制造商創造更加緊湊的燈具。

除了機電部件如風扇之外，鋁電解電容器在許多電子電路中會限制使用壽命。電容器是電化學裝置，在正常操作期間，濕電解質逐漸用于重新形成氧化鋁介電層。 電容器最終會變干，并造成災難性的后果。在高溫下，這個過程會加速。

在專業應用中，比如娛樂照明，就需要較小的照明裝置，這樣運輸和操作時更容易，在使用中也不那么突兀。在改造應用中，從路燈到家用筒燈，都需要將尺寸和形狀保持在老式照明技術所定義的范圍內。在定向照明的情況下，通常要包括在燈具內裝上電子驅動器電路、以及LED發射器模塊和透鏡。

2 適配驅動電路

LED驅動器電路需要將交流電網電壓轉換為低直流電壓來驅動LED，并確保以有效方式達到最大輸出。盡管效率很高，LED芯片也會產生熱量；驅動電路中的元器件，特別是功率晶體管也會產生熱量。如果將所有發熱部件放置在狹小的空間中，以滿足物理設計的限制，那么變熱會很快，甚至超過LED結可承受的最高100°C。

LED燈具設計師所面臨的挑戰是如何將所有這些東西都放在可用的空間中，同時確保成品內部和外部關鍵點的溫度保持在可接受的范圍內。這時候，熱模擬就能起到作用，特別是在整個設計過程中。圖2示出了在熱模擬下有良好散熱的芯片模塊范例。

圖2. 熱模擬表明，這些芯片模塊顯示出良好的熱管理特性。（圖片來源：Future Facilities Limited）

3 熱模擬的好處

以往，大部分設計和開發工作都是基于使用“經驗法則”從熱學角度計算一個特定組件、印刷電路板（PCB）或完整組件可能的表現。由于任何電子產品的設計和開發過程都是迭代的，所以在整個產品開發過程中必須重復計算。在每個階段，都需要糾正設計錯誤，甚至可能會漏掉熱點。每一項變更都會增加項目的時間和費用，增加在市場中失去時機的風險。

而且，這種方法的精度相對較差，設計人員不得不過度設計散熱管理。舉例來說，這可能意味著使用更大的散熱片，增加成品的尺寸和成本，甚至可能意味著在不需要風扇的情況下使用風扇，大大降低成品的“平均故障間隔時間”（MTBF）。 更可怕的是，成品生產出來之后，出現熱問題，繼而出現保修索賠、產品更換、品牌聲譽受損等。

因此，熱管理使工程師能夠設計更小、更經濟、性能更好、壽命更長的產品。熱模擬讓迭代設計更快，可以嘗試多種散熱管理的選擇，并最終縮短產品上市時間。

3 在開發過程中模擬

在設計過程中，越早進行熱模擬，越能降低需要進行重大設計變更以克服可能出現的熱問題的風險。在整個項目中，電子、機械和熱工程師需要協同工作，以確保在設計過程中考慮到熱模擬的結果，并充分認識到設計變更對熱性能的影響。 圖3描述了具有不同學科背景的團隊成員之間的互動。

圖3. 為了讓熱模擬有價值，各工程師需要協同工作。（圖片來源：Future Facilities Limited）

在開始的時候，一個非常簡單的概念模型 - 其中所有的電子元件表示為一個集中的熱塊 - 可以用來確定是否有可能在規格的限制內使照明燈具冷卻（圖4）。 產品的總功耗、尺寸、散熱器的尺寸以及風扇的氣流（如果要使用的話）代表了現階段所有可用的信息。

圖4. （圖片來源：Future Facilities Limited）

在下一階段，當初步產品設計已經建立時，熱建模工具需要以下信息：

? 組件的詳細信息及其在PCB上的位置? 最重要組件的估計消耗? 照明燈具外殼的大小輪廓

運行模擬之后，溫度曲線會突出顯示組件可能超出其最大允許工作溫度的位置。

5 輸入數據影響結果

輸入數據越準確，模擬就越準確。初步模擬的結果可以引導PCB設計者和機械工程師朝可能有利于燈具熱性能的方面做出改變。隨著設計的發展，這個過程再次重復。

在生產原型之前，應該再次模擬此前提出的最終設計。為了確保模擬的結果是準確的，需要更詳細的信息。 這包括：

? 燈具中元件的熱模型，這可以從元件制造商那里獲得? LED燈具外殼的3D CAD模型，這可以以各種行業的標準格式導入到模擬工具中

?EDA軟件的PCB設計，這些可以使用行業標準格式（如IDF和IDX）導入?PCB層內微量元素銅的細節

?燈具中所用材料的特性的信息?根據工程計算，燈具內部器件功耗的最新數據

一旦原型完成，開發團隊通過測量物理溫度驗證模擬的準確性。在評估這些數據時，重要的是要考慮所使用測量設備的精度限制。這些可能是熱電偶、芯片上的傳感器或紅外傳感器，具體取決于應用。

6 熱模擬的準確性

Optimal Thermal Solutions BV的熱設計專家Norbert Engelberts使用熱模擬工具，開展了一系列LED的照明項目。第一個是為歐洲市場設計一款LED燈替代60W白熾E27型A型燈。設計目標是用對流冷卻實現盡可能低的散熱片溫度，從而最大限度地延長燈泡的使用壽命。隨著溫度的升高，運行壽命降低。使用熱建模來優化散熱器設計，并且在評估最終產品時，發現模擬精確到測量溫度的5％以內。

設計筒燈時也出現了同樣的精度。設計目標是確定可以使用的最小的散熱片，同時確保LED結溫保持在100°C的極限內。測量溫度和模擬溫度之間的總體差異僅為4.6％。

Engelberts在路燈的開發中也使用了熱模型。這里面臨的挑戰是確保IP66密封外殼內的有效熱管理，其尺寸和形狀取決于要被替換的傳統燈泡的尺寸和形狀。 燈的重量是一個關鍵問題，所以散熱器需要保持在最小的尺寸，而又不會影響產品的使用壽命。從最初的設計到最后的設計，燈內各點的平均溫度降低了19％，有些點降低了35％。最終產品僅比傳統燈具重13％，但更可靠、更節能。

編譯 | James