LED照明产品设计中面临的主要问题及解决方案

1.     LED照明的优势及其面临的问题

LED照明产品尽管成本较高，但它独有高性能、绿色环保、可变幻（如情景照明、情调照明）、易于与计算机控制系统结合的特性而广受欢迎。在奥运场馆中LED照明产品的示范性应用，进一步使公众领略了LED照明产品的非凡特性，由于LED照明产品的技术瓶颈的不断突破，LED照明进入寻常百姓家的那一天已经为期不远。（关于LED照明的原理、发展现状、前景预期请参考上一篇博文）。

随着功率的增加，LED的散热问题显得越来越突出，大量实际应用表明，LED不能加大输入功率的基本原因，是由于LED在工作过程中会放出大量的热，使管芯结温迅速上升，热阻变大。输入功率越高，发热效应越大。温度的升高将导致器件性能变化与衰减，非辐射复合增加，器件的漏电流增加，半导体材料缺陷增长，金属电极电迁移，封装用环氧树脂黄化等等，严重影响LED的光电参数。甚至使功率LED失效。因此，对于LED器件，降低热阻与结温、对发光二极管的热特性进行研究显得日趋重要。

2.    如何改进LED 照明产品的热特性

由上面的讨论而知，LED的散热问题是提高LED的照明功率、提高产品可靠性和性能最重要的因数。为了解决散热问题，我们可以从两个方面入手。第一是降低发光二极管的环境温度，一般可以通过合理配置空气的自然对流和强迫对流、高性能的散热器等实现；第二种方法是提高发光二极管的能量转换效率，从而降低发光二极管的发热功率。

2.1           通过CFD技术验证和优化LED照明的热设计

CFD(Computational Fluid Dynamics），即计算流体动力学, 简称CFD，是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验以解决各种实际问题。

CFD技术在电子产品热设计中应用广泛，它在CAD模型的基础上施加发热量、风口、散热器等边界条件，通过CFD分析可以得到产品的温度分布、内部速度矢量，热设计工程师可以找到热流路径、产品内部的热点，为进一步优化设计提供依据，这方面的典型软件如FloTHERM,已经在热设计领域得到广泛的应用。

FloTHERM虽然在电子产品热分析领域广受好评，但用于LED照明产品的热分析还面临许多困难，如FloTHERM模拟对象主要为机箱机柜内的电子设备与系统，它可以非常方便地对版卡、风扇、机箱等矩形部件建模，而LED照明产品一般其内部形状为复杂曲面，使用FloTHERM显然难以精确表达。

为了解决上述问题，很多用户转而寻求通用CFD软件如FLUENT等软件，但通用CFD软件没有LED照明产品常用的电子部件，其复杂的建模和求解过程令大多数产品设计工程师望而却步。

一种新型的CFD软件在照明领域的应用日渐增多，它就是FloEFD——与设计同步的热分析软件。

2.2           为什么说FloEFD是LED照明热仿真的最理想工具

   通常LED照明产品研发机构主要由产品设计及开发人员构成，他们对热仿真工具有着特殊的要求，简而言之就是要求使用简便、结果可靠。具有如下：

1）       与用户使用的产品设计工具紧密结合，不需要来回切换；

2）       软件内置二极管、版卡、风扇等电子及冷却部件，建模迅速；

3）       采用经过充分验证的计算方法，结果可靠；

4）       结果展示形象，易于确定热点及热流路径。

     FloEFD作为首选的LED照明产品热分析软件，理由如下：

1）       完全植入主流CAD环境（Pro/E、UG、CATIA、SOLISWORKS）充分利用CAD环境的参数化建模能力，并且自动识别流体及固体区域，使用简单，没有数据冗余。

2）       对模型形状没有限制，只要是CAD环境建立的模型都可以接受，一般LED照明灯具的灯罩为复杂曲面。

3）       软件内置了二极管、版卡、风扇、换热器等部件，建模迅速。

4）       FloEFD采用通用的有限体积法作为计算方法，结果可靠。

5）       除数据报告外，可以生成速度矢量图、温度云图、瞬态问题的动态历程动画，非常有利于确定热点和热流路径。