一种LED灯设计验证方法及其在外挂灯和前大灯的应用技术

本发明专利技术公开了一种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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种设计及模拟验证方法，尤其涉及的是一种LED灯设计验证方法及其在外挂灯和前大灯的应用。
技术介绍
作为新型的照明光源技术，LED具有高光效、寿命长、体积小、响应快等诸多优点。由于受到使用功率的限制，早期的LED主要用于仪表显示，家用照明等领域，而后被引入汽车照明领域后，也仅作为尾灯或辅助照明使用。LED用于汽车前大灯的主要瓶颈在于散热，由于LED的光转化效率仅有20-30％，很大一部分能量将转换为热量，使LED芯片的温度升高。而LED芯片的光效、寿命和可靠性极大地依赖于芯片温度(结温)，如何通过高效的散热设计将芯片产生的热量传导出去并与环境有效交换，从而使LED芯片工作在安全温度下是长期以来LED照明领域的关注热点。随着LED芯片加工和封装工艺的不断进步，LED的光效不断提高，并且LED芯片级和封装级的散热设计更加合理，这使得用于汽车前大灯的LED照明系统成为了可能。2007年，雷克萨斯推出的LS600h是第一款将LED用于前大灯照明的量产车，但是该款车只是近光灯使用了白光LED，远光灯仍然采用了传统的卤素灯。2008年，奥迪R8成为了第一辆搭载全LED前大灯的车型，它的远近光、转向、日间行车灯灯前大灯的照明功能全部使用LED元件。之后，包括凯迪拉克、宝马等高端车型，以及高尔夫 7和蒙迪欧等中端车型均加入了LED前大灯汽车的行列。在前车灯的散热设计方面，雷克萨斯的LS600h由日本小系车灯公司设计，采用了一体化被动散热结构，考虑到远光灯并未使用LED，因此散热条件并不苛刻。奥迪R8由Automobile Lighting公司设计，在一体化散热的基础上，采用了外加风扇的主动散热方式。法雷奥在为沃尔沃S60概念车设计的前大灯中更是采用了外加热管及风扇的高效散热方式。从目前LED的工艺水平以及汽车前大灯的照明需求来看，仅仅空气自然对流的被动散热很难到达要求，而主动散热可以通过外加风扇、合成射流器或者半导体制冷片实现。其中，半导体制冷片散热需要对灯具结构做较大改变，而且还需要辅助散热装置对制冷片热端进行散热，否则可靠性难以保证，因此半导体制冷片散热的车灯还仅存在于概念设计层面，未见产品。外加风扇和合成射流器散热仅仅需要在现有散热器后端做较小改动，可行性更强。相比较而言，合成射流器更具优势：首先，合成射流器体积较小，可以在汽车大灯与发动机间的狭小空间内安装；其次，合成射流器寿命更长，能够提高整个灯具的可靠性；同时，合理排布的合成射流器喷气孔能产生二次流动，有效提高散热器表面的换热效率。目前，国内采用合成射流器的LED专利还不多，而且相当一部分只是应用于路灯与其他照明装置，应用在车灯上产品实例仍然空缺。而在换热条件苛刻的情况下，如何采用更合理的导热布置和散热方案是亟待解决的一个问题。因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种LED灯设计验证方法及其在外挂灯和前大灯的应用，旨在解决在换热条件苛刻的情况下，如何采用更合理的导热布置和散热方案的问题。本专利技术的技术方案如下：一种LED灯设计验证方法，其中，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。所述的LED灯设计验证方法，其中，所述步骤S1中，采用CAD软件设计LED灯具的结构和对LED灯珠建模。 所述的LED灯设计验证方法，其中，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：Tjunction＝Tsubstrate+(Rdie+RSolder)×P.(3)，其中，Tjunction为结温，Tsubstrate为基底表面温度，Rdie为灯珠热阻，RSolder为锡膏层热阻，P为灯珠发热功率。所述的LED灯设计验证方法，其中，所述步骤S3中，进行数值模拟验证时采用Ansys软件的Icepak模块对LED灯具进行热分析，得出LED灯具中的最高温度，具体步骤为：将利用CAD软件设计好的LED灯具结构和LED灯珠模型导入Ansys Modeler模块，进行简单修改和简化后再导入Icepak模块，设置材料性质、边界条件以及求解方法，划分网格，借助Fluent软件进行求解。一种如上述所述的LED灯设计验证方法，其中，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：(1)式采用了串联热阻公式计算，其中，λMCPCB表示铝基印刷电路板的热导率，δ表示铝基印刷电路板的总厚度＝δCu+δresin+δAl，δCu表示铜电 路层的厚度，λCu代表铜电路层的热导率，δresin表示介电层的厚度，λresin代表介电层的热导率，δAl表示铝基板的厚度，λAl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=δδCu1λCu1+δAl2O3λAl2O3+δCu2λCu2=193.6W/(m·K),---(2)]]>(2)式采用了串联热阻公式计算，其中，λDBC表示直接键合铜板的热导率，δ表示直接键合铜板的总厚度δCu1表示铜电路层的厚度，λCu1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，δCu2表示铜基底的厚度，λCu2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，通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种LED灯设计验证方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种LED灯设计验证方法，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的LED灯设计验证方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用CAD软件设计LED灯具的结构和对LED灯珠建模。
3.根据权利要求2所述的LED灯设计验证方法，其特征在于，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：Tjunction＝Tsubstrate+(Rdie+RSolder)×P.
(3)，其中，Tjunction为结温，Tsubstrate为基底表面温度，Rdie为灯珠热阻，RSolder为锡膏层热阻，P为灯珠发热功率。
4.根据权利要求3所述的LED灯设计验证方法，其特征在于，所述步骤S3中，进行数值模拟验证时采用Ansys软件的Icepak模块对LED灯 具进行热分析，得出LED灯具中的最高温度，具体步骤为：将利用CAD软件设计好的LED灯具结构和LED灯珠模型导入Ansys Modeler模块，进行简单修改和简化后再导入Icepak模块，设置材料性质、边界条件以及求解方法，划分网格，借助Fluent软件进行求解。
5.一种如权利要求4所述的LED灯设计验证方法，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：
(1)式采用了串联热阻公式计算，其中，λMCPCB表示铝基印刷电路板的热导率，δ表示铝基印刷电路板的总厚度＝δCu+δresin+δAl，δCu表示铜电路层的厚度，λCu代表铜电路层的热导率，δresin表示介电层的厚度，λresin代表介电层的热导率，δAl表示铝基板的厚度，λAl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：
(2)式采用了串联热阻公式计算，其中，λDBC表示直接键合铜板的热导率，δCu1表示铜电路层的厚度，λCu1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，δCu2表示铜基底的厚度，λCu2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：
Tjunction＝Tsubstrate+(Rdie+RSolder)×P.  (3)
其中，Tjunction为结温，Tsubstrate为基底表面温度，Rdie为灯珠热阻，RSolder为锡膏层热阻，P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℃；
步骤S3：对简化后的LED灯具和LED灯珠模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：何孝文，曾明虎，张力，张克强，张任，
申请(专利权)人：佛山克莱汽车照明股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44