在這裏
，我們將重點討論散熱挑戰，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）並不能完全實現，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。對於給定的環境
，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。

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：用於LED驅動電路儲能的鋁電解電容器
，以及市場需求驅動照明製造商創造更加緊湊的燈具。

       除(chu)了(le)機(ji)電(dian)部(bu)件(jian)如(ru)風(feng)扇(shan)之(zhi)外(wai)
，鋁(lv)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)在(zai)許(xu)多(duo)電(dian)子(zi)電(dian)路(lu)中(zhong)會(hui)限(xian)製(zhi)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。電(dian)容(rong)器(qi)是(shi)電(dian)化(hua)學(xue)裝(zhuang)置(zhi)

，在(zai)正(zheng)常(chang)操(cao)作(zuo)期(qi)間(jian)

，濕(shi)電(dian)解(jie)質(zhi)逐(zhu)漸(jian)用(yong)於(yu)重(zhong)新(xin)形(xing)成(cheng)氧(yang)化(hua)鋁(lv)介(jie)電(dian)層(ceng)。 電容器最終會變幹
，並造成災難性的後果。在高溫下，這個過程會加速。

       在zai專zhuan業ye應ying用yong中zhong
，比bi如ru娛yu樂le照zhao明ming，就jiu需xu要yao較jiao小xiao的de照zhao明ming裝zhuang置zhi，這zhe樣yang運yun輸shu和he操cao作zuo時shi更geng容rong易yi，在zai使shi用yong中zhong也ye不bu那na麼me突tu兀wu。在zai改gai造zao應ying用yong中zhong，從cong路lu燈deng到dao家jia用yong筒tong燈deng，都dou需xu要yao將jiang尺chi寸cun和he形xing狀zhuang保bao持chi在zai老lao式shi照zhao明ming技ji術shu所suo定ding義yi的de範fan圍wei內nei。在zai定ding向xiang照zhao明ming的de情qing況kuang下xia，通tong常chang要yao包bao括kuo在zai燈deng具ju內nei裝zhuang上shang電dian子zi驅qu動dong器qi電dian路lu
、以及LED發射器模塊和透鏡。

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，並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；qudongdianluzhongdeyuanqijian，tebieshigonglvjingtiguanyehuichanshengreliang。ruguojiangsuoyoufarebujianfangzhizaixiaxiaodekongjianzhong，yimanzuwulishejidexianzhi
，namebianrehuihenkuai，shenzhichaoguoLED結可承受的最高100°C。

       LED燈具設she計ji師shi所suo麵mian臨lin的de挑tiao戰zhan是shi如ru何he將jiang所suo有you這zhe些xie東dong西xi都dou放fang在zai可ke用yong的de空kong間jian中zhong，同tong時shi確que保bao成cheng品pin內nei部bu和he外wai部bu關guan鍵jian點dian的de溫wen度du保bao持chi在zai可ke接jie受shou的de範fan圍wei內nei。這zhe時shi候hou，熱re模mo擬ni就jiu能neng起qi到dao作zuo用yong，特te別bie是shi在zai整zheng個ge設she計ji過guo程cheng中zhong。圖tu2示出了在熱模擬下有良好散熱的芯片模塊範例。

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）

熱模擬的好處

        以往
，大部分設計和開發工作都是基於使用“經驗法則”從熱學角度計算一個特定組件、印刷電路板（PCB）huowanzhengzujiankenengdebiaoxian。youyurenhedianzichanpindeshejihekaifaguochengdoushidiedaide，suoyizaizhenggechanpinkaifaguochengzhongbixuzhongfujisuan。zaimeigejieduan
，douxuyaojiuzhengshejicuowu，shenzhikenenghuiloudiaoredian。meiyixiangbiangengdouhuizengjiaxiangmudeshijianhefeiyong
，zengjiazaishichangzhongshiqushijidefengxian。

       erqie，zhezhongfangfadejingduxiangduijiaocha
，shejirenyuanbudebuguodushejisanreguanli。julilaishuo，zhekenengyiweizheshiyonggengdadesanrepian，zengjiachengpindechicunhechengben，shenzhikenengyiweizhezaibuxuyaofengshandeqingkuangxiashiyongfengshan，dadajiangdichengpinde“平均故障間隔時間”（MTBF）。 更可怕的是，成品生產出來之後，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，可以嚐試多種散熱管理的選擇
，並最終縮短產品上市時間。

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，並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製內使照明燈具冷卻（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

       運行模擬之後

，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。

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於燈具熱性能的方麵做出改變。隨著設計的發展，這個過程再次重複。

       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，這可以從元件製造商那裏獲得
       • 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

        yidanyuanxingwancheng
，kaifatuanduitongguoceliangwuliwenduyanzhengmonidezhunquexing。zaipingguzhexieshujushi
，zhongyaodeshiyaokaolvsuoshiyongceliangshebeidejingduxianzhi。zhexiekenengshiredianou、芯片上的傳感器或紅外傳感器，具體取決於應用。

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
，開展了一係列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xing燈deng。設she計ji目mu標biao是shi用yong對dui流liu冷leng卻que實shi現xian盡jin可ke能neng低di的de散san熱re片pian溫wen度du
，從cong而er最zui大da限xian度du地di延yan長chang燈deng泡pao的de使shi用yong壽shou命ming。隨sui著zhe溫wen度du的de升sheng高gao
，運yun行xing壽shou命ming降jiang低di。使shi用yong熱re建jian模mo來lai優you化hua散san熱re器qi設she計ji，並bing且qie在zai評ping估gu最zui終zhong產chan品pin時shi

，發fa現xian模mo擬ni精jing確que到dao測ce量liang溫wen度du的de5％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。這裏麵臨的挑戰是確保IP66密封外殼內的有效熱管理，其尺寸和形狀取決於要被替換的傳統燈泡的尺寸和形狀。 燈deng的de重zhong量liang是shi一yi個ge關guan鍵jian問wen題ti，所suo以yi散san熱re器qi需xu要yao保bao持chi在zai最zui小xiao的de尺chi寸cun，而er又you不bu會hui影ying響xiang產chan品pin的de使shi用yong壽shou命ming。從cong最zui初chu的de設she計ji到dao最zui後hou的de設she計ji
，燈deng內nei各ge點dian的de平ping均jun溫wen度du降jiang低di了le19％，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。



推薦閱讀：
 WiFi全覆蓋
，無線AP安裝技巧你未必知道！ 
在電容器消除電源線波紋設計中，不可不知的電壓特性 
高速數字電路的設計，借助仿真增加了信號的完整性 
 一文看懂DDS原理、混疊
、幅度調製