изображение1-wРуди Хехфеллнер, менеджер по применению продукции Philips Lumileds Lighting, утверждает, что управление тепловым режимом является наиболее важным аспектом проектирования светодиодных систем. Производители светодиодных систем решают эту задачу, стремясь к улучшению конструкции радиаторов, высокоэффективных печатных плат, корпусов с высокой теплопроводностью и других передовых методов проектирования тепловых систем. Тепловое моделирование играет все более важную роль благодаря своей способности оценивать различные альтернативы и оптимизировать проектирование на уровне системы с точки зрения тепловых характеристик еще до начала этапа прототипирования.

Расцвет светодиодного освещения:
Твердотельное освещение — это фундаментальная развивающаяся технология, которая обещает коренным образом изменить освещение в будущем. Изначально светодиоды были разработаны для работы с потреблением электроэнергии менее 50 милливатт. За последнее десятилетие энергоэффективность светодиодов значительно улучшилась, достигнув типичного уровня от 40 до 80 лм/ватт. Помимо энергоэффективности, светодиоды также обладают более длительным сроком службы. В зависимости от производителя и типа, срок службы белых светодиодов может составлять от примерно 6000 часов до более 50 000 часов, по сравнению с 30 000 часами для люминесцентных ламп и менее чем 2000 часами для ламп накаливания. Светодиоды также могут излучать свет определенного цвета без фильтров.
Исследовательская компания Yole Développement утверждает, что мощные светодиоды будут стимулировать рост рынка твердотельного освещения, увеличив выручку с менее чем 1 миллиарда долларов в 2007 году до примерно 10,3 миллиарда долларов в 2012 году. Yole прогнозирует, что на долю светодиодов высокой и сверхвысокой яркости в совокупности придется около 4,45 миллиарда долларов от этой суммы, что более чем в 5,5 раз превышает размер всего рынка в 2007 году. «Эти твердотельные осветительные приборы быстро становятся основным источником света для различных применений, включая светофоры, внутреннее и внешнее освещение автомобилей и грузовиков, визуальные презентации на больших экранах, подсветку небольших ЖК-дисплеев и декоративное освещение», — говорится в недавнем отчете iSuppli (ссылка 1). «Постоянно открываются новые области применения освещения».

Проблемы с теплоотводом:
Мощные светодиоды представляют собой более серьезные проблемы с теплоотводом, чем большинство других источников света, главным образом потому, что светодиоды не излучают инфракрасное излучение. По данным Министерства энергетики США (DOE), от 75% до 85% энергии, используемой для питания светодиодов, преобразуется в тепло, «…и должно отводиться от светодиода к расположенной под ним печатной плате и радиаторам, корпусам или кожухам светильника». Управление по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США выпустило информационный бюллетень по теме «Теплоотвод белых светодиодов» (ссылка 2). В краткосрочной перспективе избыточное тепло может снизить светоотдачу светодиода и вызвать изменение цвета. Кроме того, еще одной важной причиной для регулирования теплоотвода являются долгосрочные последствия, включая ускоренное снижение светоотдачи, что приводит к сокращению срока службы. Министерство энергетики заявляет, что производители обычно тестируют светодиоды при фиксированной температуре перехода 25°C. С другой стороны, при постоянной работе температура перехода обычно составляет 60 °C или выше, и в этих условиях световой поток светодиодов может быть на 10% или более ниже номинального, а в изделиях с неадекватной тепловой конструкцией он может быть значительно ниже.
В лампах накаливания путь теплопередачи прямой от нити накаливания к окружающей среде посредством теплового излучения с некоторым вкладом от стекла. Основной путь теплопередачи в светодиодном устройстве обычно представляет собой теплопроводность от перехода к корпусу системы. Производитель светодиодных устройств обеспечивает управление тепловым режимом на уровне корпуса. Для производителя первостепенной задачей является минимизация теплового сопротивления от перехода к внешней части корпуса. Некоторые светодиоды, обычно небольшие устройства, монтируемые на панели, имеют выводы, которые образуют основной путь теплопроводности, и для этих устройств тепловое сопротивление перехода выводов является более критичным.
image2-wКонструкция изделия варьируется в зависимости от производителя и типа светодиода, но основные концепции схожи для всех продуктов. В этом примере светодиодный чип обычно соединяется с металлическим межсоединительным слоем с помощью связующего слоя, который затем соединяется с керамической подложкой и электрически изолированной теплоотводящей прокладкой. Весь корпус спроектирован таким образом, чтобы максимизировать оптическую мощность и отводить тепло от обратной стороны светодиодного чипа.
Хехфеллнер отметил, что даже самое энергоэффективное светодиодное устройство требует системы охлаждения. Он сказал, что, поскольку большинство традиционных методов освещения излучают тепло, у них нет таких проблем с теплоотводом. Многие производители систем обладают гораздо большим опытом в электрических и механических аспектах, чем в тепловых аспектах проектирования. «Инженерному сообществу необходим сдвиг в мышлении, и нужно сначала думать о тепловом аспекте, а затем об электрическом», — сказал Хехфеллнер. «На тепловой аспект приходится 90% проблем проектирования сегодня для производителей светодиодных систем, в то время как на электрический и механический аспекты вместе взятые приходится всего 10%».
«Самая большая проблема, стоящая перед компаниями, занимающимися системами, — это разработка энергоэффективного разъема, который позволяет просто подключать светодиодное устройство, при этом тепло отводится в окружающую среду», — продолжил Хехфеллнер. «Насколько мне известно, подобных систем на рынке в настоящее время не существует. Для их разработки необходимы более совершенные теплопроводящие материалы и инструменты проектирования. Мы сосредоточены на создании инфраструктуры, которая поможет нашим клиентам создавать более эффективные тепловые решения, такие как инструменты моделирования, позволяющие интегрировать точные модели светодиодных устройств непосредственно в проект системы».
Природа светодиодной продукции такова, что даже при повышении эффективности светодиодов проблема управления тепловым режимом не исчезает. Поскольку световой поток уменьшается с повышением температуры, большая часть электрической энергии преобразуется в тепло, что еще больше повышает температуру. Световой поток светодиода уменьшается с возрастом, поэтому его тепловыделение может увеличиваться со временем, ускоряя скорость деградации. Распространенной причиной снижения светового потока в белых светодиодах является пожелтение люминофора, которое может быть вызвано теплом или окружающей средой. Однако это не обязательно означает, что чип работает менее эффективно или выделяет больше тепла. Решения по управлению тепловым режимом должны быть достаточными для отвода тепла, рассеиваемого светодиодом на протяжении всего срока его службы.

Системные аспекты проектирования:
Для каждого светодиода существуют свои особенности проектирования, поэтому необходимо тщательно изучать характеристики и производительность используемых в данном применении светодиодов. Суть проектирования светодиодной системы заключается в эффективном отводе тепла от теплоотводящего элемента, кристалла или выводных проводов в окружающую среду. Во-первых, необходимо обеспечить надежное и теплоэффективное соединение между кристаллом и печатной платой. Тепловое соединение обычно осуществляется через небольшое тепловое отверстие в печатной плате к большой медной поверхности на другом слое. Тепло обычно передается через этот слой в корпус или на внешний радиатор.
Внешний радиатор может потребоваться в ситуациях, когда внутри корпуса рассеивается исключительно большое количество тепла. Медь и алюминий являются распространенными материалами для радиаторов светодиодов. Оптимизация геометрии радиатора является критически важной задачей во многих приложениях, поскольку тепловое сопротивление радиатора воздуху часто имеет большое значение. Производительность радиатора зависит от таких факторов, как материал, количество ребер, толщина ребер, толщина основания и т. д. Внешние радиаторы увеличивают площадь поверхности, доступную для передачи тепла в окружающую среду. Оптимальная конструкция зависит от локальных условий воздушного потока, на которые влияет наличие радиатора, что усложняет проектирование.
рисунок1-wМедь обладает превосходной теплопроводностью, в то время как алюминий легче и дешевле. В некоторых случаях можно использовать печатные платы из материалов, улучшающих теплопередачу через переход. Эти переходы могут быть изготовлены из стали с керамическим покрытием, алюминия или других материалов.
Наиболее сложными являются приложения для светодиодов, требующие герметичного корпуса для защиты светодиода от воздействия окружающей среды. Один из способов решения этой проблемы — использование материала корпуса с высокой теплопроводностью.
В других случаях могут потребоваться более сложные меры. Например, конструкция теплообменника «воздух-воздух», в которой внутренние вентиляторы циркулируют горячий воздух над внутренними ребрами, которые передают тепло в стенки корпуса. Внешние вентиляторы используются для перемещения холодного окружающего воздуха над ребрами, установленными снаружи корпуса, для отвода тепла. Затем теплопередача происходит посредством ряда этапов конвекции и проводимости.
Очевидно, что при проектировании светодиодных систем необходимо учитывать большое количество переменных.
Оптимизация тепловой конструкции имеет решающее значение по нескольким причинам. В техническом описании Министерства энергетики США по вопросам управления тепловыми процессами отмечается, что избыточное тепло влияет как на краткосрочную, так и на долгосрочную производительность светодиода. Краткосрочные эффекты, которые можно предотвратить, включают смещение цвета и снижение светоотдачи. Минимизация смещения цвета имеет решающее значение для подсветки в таких новых областях применения, как ЖК-телевизоры, где увеличение плотности светодиодов улучшает цветопередачу изображения, но затрудняет охлаждение. Повышение температуры перехода может серьезно повлиять на срок службы и надежную работу мощного светодиода. Например, изменение температуры перехода на 10 градусов при прочих равных условиях оказывает существенное влияние на срок службы и надежность (рис. 1). Оптимизация тепловой конструкции также может значительно повлиять на стоимость продукта. Например, эффективность тепловой конструкции может определять необходимость использования радиатора, что существенно повлияет на общую стоимость.

Роль моделирования:
Большинство производителей электроники, производителей оригинального оборудования (OEM) и поставщиков компонентов давно признали необходимость выявления и решения проблем, связанных с тепловым режимом, на ранних этапах проектирования. Многие внедрили программное обеспечение, выполняющее анализ на уровне компонентов и системы для решения проблем теплового регулирования до проведения физических испытаний, стремясь избежать дополнительных итераций проектирования. Однако производители светодиодных систем часто используют это программное обеспечение для проектирования систем, построенных на основе других технологий освещения, которые не представляют тех же проблем с тепловым режимом. Эти компании могут не обладать знаниями и опытом для использования мощного и сложного программного обеспечения для вычислительной гидродинамики (CFD), применяемого производителями полупроводниковых приборов и крупными производителями электроники.

Весь код CFD, созданный десять лет назад, и многие современные программы требуют от пользователя глубокого понимания вычислительных аспектов гидродинамики для обеспечения точных результатов. Например, пользователям необходимо знать, как перевести свою модель, созданную с помощью компьютерного проектирования, в среду CFD, а затем «обратить» модель, чтобы моделировалось вакуумное пространство потока, а не твердое тело, создать сетку с соответствующими свойствами, определить граничные условия, выбрать правильные физические модели, настроить параметры разрешения для обеспечения сходимости и выполнить другие задачи. Предыдущие поколения программного обеспечения CFD также требовали значительного объема настройки, например, ручной модификации ячеек для улучшения качества сетки и настройки параметров разрешения, таких как коэффициенты релаксации, в попытке добиться сходимости к решению.
Но в последние годы появилось новое поколение программного обеспечения CFD, которое решает все основные причины относительного недоиспользования программного обеспечения CFD. Использование исходных 3D CAD-данных, автоматическое определение и построение сетки в пространстве потока, а также управление параметрами потока в виде объектно-ориентированных элементов устраняют необходимость для инженеров понимать вычислительные аспекты CFD, позволяя им сосредоточиться на гидродинамике продукта, понимание и освоение которой является их обязанностью. Новое поколение программного обеспечения CFD содержит сложные функции автоматического управления, обеспечивающие сходимость практически во всех приложениях без необходимости ручной настройки.
Это новое поколение программного обеспечения хорошо подходит для теплового проектирования светодиодных систем. Для работы с программным обеспечением CFD требуются лишь знания системы CAD и физики продукта, которыми уже обладает подавляющее большинство инженеров-конструкторов. Возможность использования исходных 3D CAD-данных экономит время и позволяет учесть всю геометрическую сложность светодиодных систем. Новое поколение программного обеспечения также охватывает все возможные механизмы теплопередачи, что делает его надежной отправной точкой для точного анализа. Автоматизируя все необходимые этапы создания модели CFD, новое поколение программного обеспечения CFD позволяет проектировщикам светодиодных систем быстро оценивать большое количество вариантов конструкции.
рисунок2-wрисунок3-wЛампа, показанная на рисунках 2, 3 и 4, использует шесть мощных светодиодов. Эти светодиоды и встроенный блок питания рассеивают тепло. Вентиляторы не использовались, поэтому инженеры могли полагаться только на теплопроводность, естественную конвекцию и излучение. Используя программный пакет CFD, встроенный в их систему CAD, инженеры Voxdale определили все материалы и их свойства, теплоотвод светодиодов и блока питания, направление силы тяжести конвекции и так далее. После автоматического построения сетки

Результаты с высоким разрешением были визуализированы в исходной CAD-геометрии, как показано на рисунок4-wследующих изображениях.
Конвекция затягивает холодный воздух в лампу, а горячий воздух выходит через щели.
Компания Dialight PLC использует программное обеспечение CFD, встроенное в ее CAD-программное обеспечение, для проектирования светодиодных систем освещения. Dialight является лидером в области прикладных светодиодных технологий, работая в двух основных сегментах: 1) Компоненты: включая светодиоды низкой яркости, используемые для индикации состояния в электронном оборудовании. 2) Сигнализация/Освещение: использование новейших высокоярких светодиодных технологий для светофоров и железнодорожных сигналов, маркировки препятствий, освещения опасных зон и разработка приложений на более широких рынках освещения. «Хотя энергоэффективность светодиодов повышается, значительная часть потребляемой энергии преобразуется в тепло», — говорит Гордон Раутледж, вице-президент по световой продукции в Dialight. «Охлаждение электроники и светодиодных устройств имеет решающее значение для долгосрочной надежности, а тепловой анализ, включая анализ воздушного потока, жизненно важен для того, чтобы помочь нам уложиться в самые жесткие сроки разработки».

Физические
испытания слишком дороги и трудоемки для исследования предположительных изменений в конструкции, но они очень эффективны для проверки окончательной конструкции и исследования производственных проблем. Физические испытания позволяют подтвердить значения свойств материала, используемого для толщины линии перехода, и выявить такие проблемы, как зазоры в кристалле перехода.
Основной подход основан на том факте, что температура пропорциональна прямому падению напряжения конкретного устройства. После определения прямого падения напряжения при определенном измерительном токе к светодиоду подается большой ток, нагревая его. Затем этот ток отключается, и подается гораздо меньший тестовый ток для измерения. Малый тестовый ток, используемый для характеристики устройства, и малое прямое напряжение должны быть одинаковыми. Прямое напряжение измеряется очень быстро, прежде чем переход успеет остыть. Возможность отслеживать изменение температуры во времени может предоставить подробную информацию о том, как тепло проходит через каждый слой на пути от перехода к внешней среде. Это позволяет напрямую измерять ключевые тепловые сопротивления в пути теплового потока, такие как сопротивление кристалла перехода.
Для измерения требуется сложное измерительное оборудование, способное измерять изменение температуры устройства за несколько микросекунд в выключенном состоянии из-за быстрой тепловой реакции светодиода. Такие измерения тепловых переходных процессов могут быть использованы для построения высокоточных «структурных функций», которые предоставляют подробную информацию о внутренних характеристиках силовых светодиодных корпусов, выявляя отказы кристаллов и другие проблемы структурной целостности.

Выводы:
Светодиодные технологии обладают огромным потенциалом для экономии энергии, повышения качества и надежности освещения. Управление тепловыми процессами имеет решающее значение в проектировании светодиодов для обеспечения соответствия требованиям к производительности, сроку службы и стоимости. При решении тепловых задач у разработчиков систем имеется широкий спектр потенциальных альтернатив. Новейшее поколение программного обеспечения для моделирования тепловых процессов и интегрированные CAD-модели жидкостей позволяют инженерам-конструкторам диагностировать тепловые проблемы, оценивать альтернативные варианты конструкции и быстро находить оптимальное решение. Окончательная конструкция может быть проверена с помощью измерений на этапе прототипирования для обеспечения соответствия производственным допускам — например, толщины интерфейса требованиям теплового проектирования — и выявления любых производственных проблем. Полученные знания затем могут быть использованы для улучшения будущих моделей проектирования.

Ссылки
: 1. http://www.isuppli.com/rptviewer/default.asp?a=34715&cmd=inline
2. http://www.netl.doe.gov/ssl/PDFs/ThermalLED_Feb07_2.pdf
3. http://www.lumileds.com/pdfs/WP12.pdf

Источник: Mentor Graphics