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生化分析仪温度控制系统设计

来源：爱够旅游网

摘要

在生化分析仪中，温度控制系统的精度直接影响检测结果的准确度。本文针对小型生化分析仪对温度控制的要求设计了分离式的固体直热恒温系统。该系统设计的难点主要是反应液温度的均匀性和控制精度。本设计选择了反应盘与反应杯分离的机械结构，使反应杯在反应槽中旋转，得到很好的温度均匀性。同时在单片机中利用PID组合算法进行编程，使反应液温度控制在37℃，其准确度为 ±0.3℃，波动范围±0.1摄氏度，满足了小型生化分析仪对温控系统的要求。关键词：小型生化分析仪、温度控制、铂电阻测温电路、自适应PID

ABSTRACT

In the biochemical analyzer, the precision of temperature control system directly affects the accuracy of test results. According to the requirements of the temperature control system in small biochemical analyzer, this dissertation designs a separate thermostat system with solid directly heating. The main difficulties of this system are the accuracy and uniformity of the reactive liquid temperature. In order to obtain high level uniformity, the mechanical structure separates the plates and cups and the cups circle on the groove of the plates. At the same time the microcontroller is programmed using PID combination algorithm. The temperature of reactive solution was 37 ℃ and the accuracy is ± 0.3 ℃ with fluctuation range of ± 0.1 degrees Celsius. This design meets the requirements of temperature control system in small biochemical analyzer.

Keywords: Biochemical analyzer，Temperature control，Platinum Resistance Temperature Sensor, Adaptive PID.

第1章引言 ........................................................ 1

1.1课题背景 ..................................................... 1 1.2 生化分析仪主要温控方式 ....................................... 1 1.3 温度传感器种类及工作方式 ..................................... 3 1.4 国内外研究现状 ............................................... 4 1.5 课题研究内容 ................................................. 5 第2章铂电阻温度传感器 ............................................ 7

2.1 非线性校正 .................................................. 7

2.1.1 产生非线性的原因 ....................................... 7 2.1.2 惠斯特桥式电路 ......................................... 7 2.2 温度检测电路阻值选择 ......................................... 9

2.2.1 桥式电路阻值选择 ....................................... 9 2.2.2 AD623运放设计 ......................................... 10 2.2.3 误差分析 .............................................. 11 2.3 三线式铂电阻用法 ............................................ 14 2.4温度传感遇到的问题 .......................................... 15 第3章单片机控制 .................................................. 17

3.1 模数转换 .................................................... 17

3.1.1 16位模数转换 .......................................... 17 3.1.2 模数转换原理 .......................................... 17 3.1.3 建立模数转换方程 ...................................... 18 3.2 数模转换 .................................................... 18

3.2.1 温度控制算法 .......................................... 18 3.2.2 利用计数器产生PWM波 .................................. 19

第4章加热系统的驱动和控制 ........................................ 21

4.1 驱动芯片的选择 .............................................. 21 4.2 加热的控制 .................................................. 21

4.2.1 预热控制 ............................................. 21 4.2.2 功率控制 ............................................. 23 4.3 系统设计需要注意的问题 ...................................... 24

4.3.1 反应液温度控制的滞后性和波动性 ........................ 24

III

4.3.2 环境温度对稳定温度的影响 .............................. 25 4.3.3 温度控制电路板的优化设计 .............................. 26

第5章 PID控制算法 ................................................. 28

5.1 PID控制原理 ................................................ 28

5.1.1 模拟PID控制 .......................................... 28 5.1.2 数字PID控制 .......................................... 28 5.2 新型PID控制 ................................................ 29

5.2.1 自适应PID控制 ........................................ 29 5.2.2 智能控制 .............................................. 29 5.3 自整定PID控制 .............................................. 32

5.3.1 Ziegler-Nichols设定方法 ............................... 32 5.3.2 临界灵敏度法 .......................................... 37 5.4 温度控制PID ................................................ 41

5.4.1 测试中参数的选定 ...................................... 41 5.4.2 环境温度影响下的修正 .................................. 43

第6章结束语 ...................................................... 46

6.1 总结 ........................................................ 46 6.2 展望 ........................................................ 46 参考文献 ........................................................... 47 致谢 ............................................................... 49 外文资料原文 ....................................................... 50 外文资料译文 ....................................................... 54

第1章引言

1.1课题背景

临床化学实验操作步骤中的吸样、吸试剂、混合、去干扰物、保温、检测、结果计算和报告的仪器操作被称之为临床化学的自动化分析，其仪器称为自动生化分析仪[1]。自动生化分析仪集光学、精密机械、电子、电子计算机等技术为一体，属高技术含量的仪器设备，特别是高档大型全自动生化分析仪配套技术，包括机器人技术、集束光导纤维传播技术、条码技术、传感技术、数码技术及遥控技术等，使仪器在高速运转中多项任务、多个过程同时协调进行，每小时产生数百乃至数千的数据[2]。

目前，自动生化分析仪主要分为三种：连续流动式自动生化分析仪（continuous flow autoanalyzer）、分立式自动生化分析仪（discrete autoanalyzer）、离心式自动生化分析仪（centrifugal autoanalyzer）[3]。其中，第一类仪器由于不能克服交叉感染（carryover）以及故障率高、操作繁琐等原因在80年代初已被淘汰。本文中设计的温度控制系统可以应用在后两种生化分析仪中。

生化分析过程要求在恒温条件下进行，样本和试剂发生生化反应，酶的活性直接影响反应结果，而酶的活性与温度直接相关。根据辅酶Q10理论：温度每增加10℃，化学反应速度增加一倍。也就是说，温度波动0.1℃，测度结果变异1%。因此，高精度的温度控制系统是保证生化分析结果准确性和重复性的关键技术之一，它是生化分析仪的重要组成部分[4]。本文的主要任务是设计一个适合生化分析仪的固体直热恒温系统。

1.2 生化分析仪主要温控方式

目前生化分析仪中主要使用的温度控制方式有以下几种：空气浴，水浴，恒温液浴，固体干式浴，帕尔贴效应片等[5]。

空气浴利用热空气对反应杯中的液体进行加热，通过维持绝缘容器内空气温度的稳定来实现反应杯内液体温度的稳定。水浴与空气浴相似，采用水对反应杯中的液体进行加热，通过维持水温的稳定来实现反应杯中液体的稳定。恒温液浴采用一种特殊的恒温液体，该液体为热容量高、蓄热能力强、无腐蚀的液体。比色杯和恒温液不直接接触，它们之间存在一定的空气隙。固体干式浴采用铜或者铝等导热性能良好的金属对石英反应杯中的液体进行直接加热[6]。

第1章引言

空气浴与水浴如图1-1所示，恒温液浴和固体干式浴如图1-2。

图1-1 空气浴与水浴示意图

、图1-2 恒温液浴和固体干式浴示意图

帕尔贴效应片是一种目前被广泛应用的温控方式。这种温控方式利用帕尔贴效应，利用P-N热电偶，利用帕尔贴效应片的热端和冷端，既可以加热，也可以制冷。调整电偶的工作电压，可使帕尔贴效应片（热电制冷器）在不同的热端温度下保持冷端温度恒定[7]。图1-3给出了热电制冷器的温度控制原理框图。

第1章引言

图1-3 热电制冷器温度控制原理框图

对于生化分析仪来讲，由于仪器本身功能较多，因此不希望在温控系统中加入过多的外加设备，因此水浴和空气浴不适用于本设计。同时，帕尔贴效应片一次只能控制一个样品，无法满足分析仪同时分析多个样品的的需要。因此，本设计采用固体浴。

1.3温度传感器种类及工作方式

要实现对温度的控制，首先要实现对被控环境的温度检测，这就需要温度传感器的设计。温度传感器按工作原理分可分为热电偶、电阻温度传感器、辐射温度计、光纤温度传感器、石英温度传感器等。

热电偶将两种材料不同的导体串联成闭合回路，当两个结点之间存在温度差时，就会在回路中产生电流。热电偶的这种效应叫做塞贝克效应。热电偶作为温度传感器，其优点有结构简单、体积小、热容量小以及温度响应快等。

电阻温度传感器利用纯金属、合金和半导体材料的电阻值随温度变化的物理特性来测量温度。由于这个特性，使得电阻温度传感器可以根据具体的测量范围，改变其起始电阻值。当利用贵金属制作敏感元件时，它的性能更加稳定，测量的精度也会进一步提高。

辐射温度计是利用斯蒂芬·玻尔兹曼全辐射定理而研制出的温度计。该定理告诉我们，物体的温度越高，辐射功率就越大。因此，测量出物体所发射出来的辐射功率，就可以计算出它的温度。辐射温度计的特点是非接触测温，同时，它具有反应速度快、灵敏度高、测温范围广等优点。

光纤温度传感器既可以利用被测物体表面辐射能随温度变化测温，也可以利用光在光导纤维内传输的相位随温度变化测温。由于其主要利用光的传输工作，所以它是一种电气无源系统，同时具有几何形状可随意改变、抗电磁干扰以及耐

第1章引言

水耐腐蚀等其他传感器无法具备的优点。

石英温度传感器利用石英谐振器的频率温度特性进行测温，不仅具有分辨率高、性能稳定和线性度好等特点，而且适用于数字化处理和远距离测量。

为了尽量减少成本，由于生化分析仪本身不需要进行远程控制，因此光纤性、辐射性以及石英性均不适宜本设计。同时，热电偶涉及到冷端温度补偿，增加了系统设计的复杂性，因此选择电阻温度传感器作为使用对象，同时选用稳定性互换性良好同时精度高的铂电阻作为测温元件。

1.4 国内外研究现状

世界上第一台生化自动分析仪是由美国泰克尼康公司在1957年设计生产的，是一台单通道、连续流动式自动分析仪。

此后日本、美国等国家又相继研发生产了多个系列的生化分析仪，如今相应的技术已经相当完善。其中比较具有代表性的是美国BECKMAN公司的CX9全自动生化分析仪和日本日立的7600全自动生化分析仪。CX9的检测速度可达每小时900多次，最多可以同时测量33项，它的最大特征是直接连接样品分选的输送系统，便于对应软件的全自动化处理。日立的7600全自动生化分析仪也是一套大型实验室自动化系统，它是一种采用了先进的控制技术和模块化结构开发的大型组合式分析仪，具有高度的灵活性和扩展性，用户可以根据需要配置各种功能部分。整个工作过程由中央计算机执行多线程控制，同时通过定时器设定无人状态一体化程序，在程序运行的同时也能智能检查各模块，对异常模块进行维护，真正实现了实验室全程自动化[8]。

如图1-4所示为美国BeckmanCX9型全自动生化分析仪，如图1-5所示为日立7600型全自动生化分析仪。

图1-4 美国BeckmanCX9型全自动生化分析仪

第1章引言

图1-5 日立7600全自动生化分析仪

目前国内自研生产的生化分析仪以半自动型为主。国内全自动生化分析仪的发展缓慢的原因主要是因为它涉及光、机、电、算、液路、温控、生化分析等多方面的综合技术，系统控制复杂、控制时序要求严格、运行可靠性和精度要求高等。随着国内医院要求诊断指标的增多，测试工作量不断增大，对全自动生化分析仪的要求日益增大，因此其研制和开发将有着重大的经济效益和社会效益[9]。

1.5 课题研究内容

本文主要研究适用于生化分析仪的温度控制系统，包括以下几个部分：

1、温度检测电路的设计； 2、温度控制电路的设计； 3、温度控制算法的编程； 4、环境温度补偿的设计。

整个温度控制系统由两路具有非线性校正的铂电阻测温电路、PWM控制的功率驱动电路、带温度补偿的自适应PID数字控制电路等组成。如图1-6所示：

第1章引言

图1-6 温度控制系统原理图

温度控制系统的目标是要使反应液温度恒定在37℃。从图1 可以看出, 反应液温度是间接控制的。它一方面受反应盘温度影响, 另一方面受环境温度的影响。为了补偿环境温度的影响, 温度控制系统增加一路环境温度测量。因此, 温度控制系统由两部分组成, 一部分是用来控制反应盘的温度, 另一部分是用来进行温度补偿。

第2章 LED散热指标

第2章铂电阻温度传感器

2.1 非线性校正

本设计中温度的检测通过电阻温度传感器实现。当采用型号为PT1000、RTD型为DIN的铂电阻，即在0℃时阻值为1000Ω，之后温度每上升一摄氏度阻值上升3.851Ω。因此，需要设计温度检测电路，利用模拟电路计算出铂电阻的阻值，同时将计算结果转换为模拟电压值，传递给用于温度控制的数字电路部分。

这就要求最终的模拟电压值与温度之间形成严格的线性关系，我们已经知道铂电阻的阻值与温度之间近似是一种线性关系，同时在模拟电路中，由于电路原理和元件规格的限制，也会破坏这种线性关系。因此，需要设计专门的模拟电路，来校正这种非线性关系。 2.1.1产生非线性的原因

铂电阻的电阻值与温度的关系，可用下式描述： RR0(ab21)

式中：R和R0分别为θ和0℃时铂电阻阻值；a、b为常数。显然式中R与θ之间的关系是非线性的[10]。

此外，将变化的阻值，转化为变化的电压，模拟电路的设计也会影响结果的线性性。同时，由于模拟电路的输出电压将输入到单片机的模数转换输入引脚，该引脚具有固定的输入范围。本设计选用的单片机要求输入电压在0V到参考电压之间，否则将使单片机引脚工作在极限条件下。同样的，这种对输出电压的限制也增加了校正结果线性性的难度。 2.1.2 惠斯特桥式电路

使用恒流供电的惠斯特桥式电路可以校正温度测量电路的非线性。首先使用MAX6235芯片为惠斯特桥式电路提供2.5V的电压输入。将此供电电压输入到OP07芯片的正向输入端，OP07芯片相当于一个集成运算放大器，在这里用作跟随器来稳定桥式电路的输入电压。然后，将桥式电路两端的输出电压，分别通过输入电阻输入给AD623芯片，AD623是一个放大倍数可调的仪表放大器，可以将桥式电路产生的差值放大。最后再通过作为跟随器的OP07芯片，将最终的输出电压输入到单片机的模数转换输入引脚。

桥式电路的基本结构，如图2-1所示。

第2章 LED散热指标

图2-1 桥式电路

如果用U表示电压VCC的大小，U1表示电阻R3上端的电压，则：

R3U1U （2-1）

RtR3用U2表示电阻R4上端的电压，则：

R4U2U （2-2）

R2R4用Uo代表电压Vout的大小，则有：

UoU2U1 （2-3）

在桥式电路中，R3R4，因此将式（2-1）（2-2）代入（2-3），可以得到：

R3(RtR2)UoU （2-4）

(R3Rt)(R3R2)桥式电路中R3的值要远远大于Rt，同时设RRtR2，得：

RUoU （2-5）

R3R2由此建立了铂电阻阻值和输出电压的线性关系，如果选择R2的阻值等于铂电阻在零摄氏度时的阻值，那么测温电路就相当与从零摄氏度开始测量温度。

在整个测温电路中，桥式电路的三块电阻和用于AD623编程的电阻作用重大，必须采用精度很高的精密电阻，才能满足本电路的精度要求。同时，通过对这四块电阻阻值的选择，可以使输出的电压值范围尽可能地覆盖单片机输入电压的范

第2章 LED散热指标

围，这样在模数转换过程中，可以获得最大的精度。

2.2 温度检测电路阻值选择

由之前的分析我们知道，温度检测电路所使用的电阻的阻值直接决定了该模拟电路输出的模拟电压的大小。由于单片机对输入电压的要求，不仅需要严格限制该电路的输出电压的最小值和最大值，还需要将其电压变化范围尽可能地和单片机允许的输入电压范围重合，增大精度。

无论是对于桥式电路，还是AD623放大部分，为了实现模拟电路的精确计算，必须全部使用阻值相对精确的精密电阻。如果使用普通电阻，不仅使运算结果出现与理论计算值极大的偏差，也会由于普通电阻同一批次产品中阻值不同，导致在投入生产之后需要针对每台机器校准，这明显是非常不现实的。

本设计选用Silicon Lab公司的C8051F060作为单片机，为了提高模数转换的精度，也为了方便之后算法的升级，使用了该芯片中16位的模数转换功能。该芯片实现该功能主要依靠最高可达1Msps、16位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC。这就对模拟输入端的电压值提出了要求，此电压值不能高过单片机此转换模块的参考电压值，同时也不得低于整块电路板上的零电压，否则将使单片机工作于极限条件之外，造成单片机模数转换模块烧毁，甚至可能导致整个单片机芯片烧毁，在实际应用中，如果出现此情况，将使反应盘中的加热片持续以全功率加热，在生化分析中，无疑会破坏反应液的化学性质，甚至造成事故。因此，对模拟电路的输出电压的控制，至关重要，而模拟电路中精密电阻的设计，更是重中之重。

由于单片机中是逐次逼近寄存器型ADC，这就使得模拟电压输出范围要尽可能地大。因为这样转换的结果是一个模拟电压值对应一个16位二进制数，当电压可变范围扩大时，数字电路可以分辨的温度值的精度也就越大，这也对电路阻值的选定提出了要求 2.2.1 桥式电路阻值选择

在桥式电路中，由式（2-5）可知，若想使温度在零度时输出0V的模拟电压，则R2的阻值应等于铂电阻在零摄氏度时的阻值。本设计选用的铂电阻在零摄氏度时阻值为1kΩ，所以R2的阻值也应为1kΩ。本设计主要应用在室内环境中，由于室内温度一般都高于零度，因此模拟电压的输出能够保证是正电压，不会由于输出负电压而对单片机造成损坏。

由上面的推导可知，桥式电路中下方的两块电阻要求阻值完全相等，同时，

第2章 LED散热指标

为了把输入桥式电路使用的OP07运放芯片作为跟随器，引入输出电压的反馈，我们希望这两块电阻的阻值，尽可能地大，如图2-2所示为电路原理图电桥部分：

图2-2 电桥部分电路原理图

图中，U1和U2单元分别是6325芯片和OP07芯片，PT1和PT2是两路铂电阻，分别检测反应盘温度和环境温度，图中右侧的桥式电路是用于计算PT1阻值的电路。由于精密电阻JMR2的阻值很大，将使PT1铂电阻负载的压降非常小，如果将铂电阻下端的电压反馈到OP07的反相输入端，其输入电压近似等于输出电压，形成跟随器，使输出电压稳定。在这里，桥式电路下方的两块电阻我们都选用常见的51kΩ的精密电阻。 2.2.2 AD623的运放设计

AD623是一个低功耗的仪表放大器，其引脚说明如图2-3所示：

第2章 LED散热指标

图2-3 AD623引脚说明

从图中可以看出，AD623是将一个差分信号进行放大，通过使用者在1脚和8脚之间连接的电阻，调整电压增益的大小，其公式为：

100kVo(1)Vc （2-6）

RG其中RG表示编程电阻的阻值，Vc代表差分输入电压。

通过式（2-5）和式（2-6）的计算，RG可以选择360Ω的精密电阻，该阻值的精密电阻同样非常常见。

至此，整个一路的温度检测电路中精密电阻的阻值就已经选定，理论计算证实，当温度从零度变化到40℃时，模拟电路的输出电压在0V到2.4V之间，即使在调试中发生局部传感器温度过热的情况，输出电压也不会高于2.5V，保护了单片的模数转换模块。 2.2.3误差分析

尽量在之前的电路计算中，可以得到温度和输出电压之间的关系，然而在实际使用中，由于精密电阻本身还是存在误差，再加上在电路的分析中使用了近似的算法，必须结合具体的电路，实际测量输出的电压。测量时使用的电路板如图2-4所示：

第2章 LED散热指标

图2-4 温控用测试电路板

图中电路板左侧的红色电阻为之前选定的精密电阻，四接口的插座用来连接铂电阻，可以将铂电阻置入温度可控的液体中，同时用万用表直接测量输出的电压值。如此测量获得的温度-电压关系如表2-1所示：温度/℃ 电压/V 18.7 1.026 26.0 1.404 29.9 1.595 34.9 1.821 38.5 1.995 表2-1 非同步测温度-电压关系

从表2-1可知，电压随温度的变化关系基本是线性关系，但是在反复实验中，发现测定结果总是发生波动。分析误差产生原因，硬件的物理性质和电气性质是固定的，使用的稳压电源供电也是稳定的，那么就不应该是由于实验用具的重复性差导致的误差问题。因此，误差原因应该是由于记录温度和电压值的同时性的问题上。由于是人工观察记录，所以只能是先观察温度值并记录，之后再拿起万用表进行测量，在记录电压之前的这段时间里，可能温度受到环境的扰动，已经发生了变化，由此产生了误差。

为了解决这一问题，我们使用了安捷伦34970A多路采集器，可以利用计算机

第2章 LED散热指标

同时采样多路数据，解决了测量同步性的问题，如图2-5为安捷伦34970A多路采集器：

图2-5 安捷伦34970A多路采集器

利用该仪器测量得到的温度-电压关系如表2-2所示：温度/℃ 电压/V 30.544 1.592 32.335 1.672 34.445 1.780 36.216 1.847 36.360 1.867 之前的实验检测的温度都是反应盘的温度，然而控制温度的最终目标是控制反应液的温度，由于加热片加热的是反应盘，因此反应盘的温度高于反应液。在实际测量中发现，反应盘与反应液之间的温度差随环境温度变化而变化。当将反应液放入恒温箱中，在相对封闭的环境中进行测试，同时测量的目标是反应液的温度，实验装置如图2-6：

第2章 LED散热指标

图2-6 反应装置放在恒温箱中

使用多路采集器测得反应液温度和电压的关系如表2-3所示：温度/℃ 电压/V 26.619 1.608 28.434 1.740 30.301 1.861 32.654 2.007 34.519 2.073 采集到数据点之后可以利用matlab进行线性回归，得到近似的直线关系。由于在实际使用中，传感器检测的温度基本在20到40摄氏度之间，所以之前线性回归的近似计算中产生的误差可以接受。

2.3 三线制铂电阻用法

如果在铂电阻的两端各连接一条导线，之后接入到桥式电路中，那么两条导线的电阻就会增加测量的铂电阻的阻值。更严重的是，导线中电阻随温度的变化关系未知，当测量温度改变时，将会增加无法估计的误差。

为了解决这个问题，实际应用中主要使用三线制铂电阻，其接法如图2-7所示。从图中可知，铂电阻引出的三根导线，一根的电阻作为输入电阻，另外两根分别接入到了电桥的两臂，使得两臂导线电阻的阻值相等，这样就消除了导线电阻造成的误差。

第2章 LED散热指标

图2-7 铂电阻的三线制接法

2.4温度传感遇到的问题

（1）要控制反应液的温度，最好的办法当然是直接测量反应液的温度，但由于反应杯中的液体要经常更换，所以不可能将铂电阻置于反应液中，这样不仅会污损铂电阻，更有可能污损反应液。所以使用铂电阻取检测反应盘的温度是一个较好的办法，在实际控制中将反应盘控制在高于目标温度的某一个值，就可以间接地控制反应液的温度。

（2）铂电阻要想精确地检测反应盘的温度，就应该充分与反应盘接触，但是固体与固体很难充分接触，铂电阻的某一部分总是有可能与空气接触，因此提出在反应盘的底部开槽，将铂电阻放在槽中，上方放置反应杯，这样就使铂电阻的温度尽可能地和反应盘相等。机械结构示意图如图2-8所示，实际结构图如图2-9所示：

(1)存储环境：通常情况下，LED的储存环境温度应在-40 ℃~+100 ℃。所以在封装LED时，有时为了使封装胶快干或荧光粉快干，在温度150 ℃保存1~2小时。这对LED是否有影响，可以继续展开实验来证明。

(2)工作温度一般情况下，LED的工作温度是-30 ℃~+80 ℃，但工作温度与热阻有关系。总而言之，LED在工作时，最好将它的PN结温度保持在10 ℃以下。

(3)失效率：失效率λ是指一批LED器件在点亮后多长时间、有多少个出现“死灯”现象。这是衡量这批LED器件质量的关键指标。若工作10小时内无“死灯”现象出现，说明失效率较好，即失效率为0。

(4)寿命：LED器件在正常工作条件下，半光衰时间越长，说明LED的寿命越长。按理论计算可达10万小时以上。但目前由于材料、制造技术等方面原因，市场上的LED器件寿命只能达到2~3万小时。随着技术的不断进步，LED器件的寿命会越来越长。但是如何快速测定半光衰时间，还有待于制造出通用的仪器进行测定。

第2章 LED散热指标

(5)防静电：要做好的LED器件要注意防静电。无论是在运输状态，还是在装配过程中，都可能出现静电带来的损坏，要特别注意防静电。一般LED做好后，双极开路防静电指标应在500 V之内。

(6)封装结构：LED是靠环氧树脂等胶封装起来的。由于时间和化学作用，会使封装胶的透光性变差。有时会使胶体变黄变浊，影响透光；有的会使胶玻化而破碎。这些都会使LED器件的性能发生变化，因此达不到原来的技术指标，从而影响其出光效率和使用寿命。

第3章散热原理

3.1 热的传导方式

热的传导方式主要包括传导、对流、辐射三种。

3.1.1 传导（Conduction）

传导[23]，指的是分子之间的动能交换，即能量较低的粒子通过碰撞来交换能量的方式，是目前散热的主要方式。单独的一片散热片时不能实现热能的传导的，传导是散热片散热的最主要的途径。

热传导的基本公式是：

QKAcT/L (3-1)

其中，Q：热量，及热传导产生或传导的热量；K：材料的热传导系数；Ac：热传导过程中物的横截面积；ΔT：物体传导始末的温度差；L：传导过程中物体的传导距离。

从热传导公式我们可以发现热量传递的大小同热传导系数、传热截面积成正比，同热传输距离成反比。热传导系数越高，传递面积越大，传输距离越短，热传导的能量就越高，越容易带走热量。 3.1.2 对流（Convection）

对流是气体或液体中较热部分和较冷部分通过循环将来交换热量，即热源被气体或者液体包围，热能透过周边分子的移动来实现。当一块热金属板与冷液体(或者气体)接触时，靠近热金属板的流体模由于流体的热传导而温度上升，流体膜温度上升造成体积膨胀，以至于发生冷热流体混合。对流分为强制对流(Forced Convection)和自然对流(Natural Convection)。如果引起热对流的原动力若为密度差(温度差引起)，则此种热对流成为自然对流。如果引起热对流的原动力是外力因素，如风扇等，则这种热对流成为强制对流。

热对流的基本公式是：

QhAT (3-2)

其中，Q代表热量，也就是热对流所带走的热量；h是热对流系数；A代表热对流的有效接触面积；ΔT代表固体表面与区域流体之间的温度差。

根据热对流公式可以发现热量传递的数量通热对流系数、有效接触面积和温度差成正比。热对流系数越高、有效接触面积越大、温度差越高，带走的热量也

第3章散热原理

越多。

3.1.3 辐射（Radiation）

辐射，是指热能从热源以电磁形式(或光子)直接发射出去。辐射的传热效能取决于热源的材料及表面的颜色。

热辐射的基本公式是：

QA(TaTb)4 (3-3)

其中，Q：热辐射交换的能量；σ：物体的表面的热辐射系数，一般取5.7×10-8(W/m2K4)；A ：物体的表面积；(Ta-Tb)：表面a到b之间的温差。

根据热辐射公式，我们可以看出，热辐射功率与热辐射系数、物体表面积大小以及温差的4次方成正比。

热热辐射在传统光源尤其是热辐射光源的热量损失中占有很大的比重，但是LED的发光原理与传统光源有很大的区别，热辐射在其中所占的比重也很小，以一颗1W的功率型白光LED为例，取其稳定工作状态下的结温为350 K，芯片面积为1 mm2，在不考虑芯片吸热的情况下，我们可以计算其热辐射功率：

QA(TaTb)45.7108110635048.55104W (3-4)

我们可以发现热辐射的功率大概是整个热耗散的功率的千分之一左右，因而，在LED灯具的散热方式选择上，热辐射方式的影响可以忽略。

3.2 散热方式

根据是否需要外界提供额外的能量，可以将散热分为被动散热和主动散热两种。

3.2.1 被动散热

被动式散热[24]指依靠空气的自然对流，通过散热片将热源产生的热量自然散发到空气中，其散热的效果与散热片大小相关。虽然被动式散热结构相对比较简单，很容易和灯具的机械结构结合起来，这样就比较容易达到灯具的防护等级要求。并且被动式散热整体成本相对比较低，因而是目前最广泛使用的一种散热方式。此外，被动式散热不会引入额外的动力装置，因而不会影响灯具整体的效率和寿命。因而，这种散热方式是LED灯具，尤其是道路照明灯具中最常用的一种方式。

第3章散热原理

但是，这种散热方式也有缺点，就是散热效率不高，并且设计出的灯具因为有大量的散热片，导致灯具过重。同时由于鳍片的存在，使得灯具外壳比较容易集灰，会降低灯具的维护系数。 3.2.2 主动散热

主动式散热，指通过风扇等散热设备强迫性地将热源产生的热量从散热片上带走，其特点是散热效率高，散热器体积小，结构紧凑，但是会增加额外的功耗，并且要考虑到灯具防护等级的要求。主动式散热包括风冷散热、液冷散热、热管散热、半导体制冷、化学制冷等等。 1、风冷散热

风冷散热就是在LED散热器上安装风扇，通过空气强迫对流将热量带走。因此，要在允许的温度条件下将LED耗散的热量传递到热沉(通常是大气环境)，对流散热的效果好坏是决定散热系统成败的关键。由于对流散热量的大小取决于散热面积、对流散热系数和传热温差，因此提高散热能力主要围绕这三个方面进行。风冷散热就是通过提高风速，改善气流组织，来增大对流换热系数的方法来强化传热。

风冷散热虽然价格相对较低，安装方便等。但是它对环境依赖比较高，例如气温升高以及超频时其散热性能就会大受影响，而且风扇体积大，噪声明显，容易受到灰尘等杂物的影响。 2、液冷散热

液冷散热是通过液体在泵的带动下强制循环带走散热器的热量。出于成本及易用性的考虑，液冷散热通常采用水做为导热液体，因此液冷散热器也常常被称为水冷散热器。

液冷散热器具有很好的散热效果，均衡了LED的热量，并且工作噪音低。它的最大优势是导热速度快，热容量大、降温稳定，且系统是一个循环散热系统。但使用液冷散热系统不方便，体积大，安装麻烦，而且要防止漏水和结露现象，成本也非常高。 3、热管散热

热管属于一种传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，

热管有极高的导热性，良好的等温性，冷热两侧的传热面积可任意改变，可远距离传热，可控制温度，并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、

第3章散热原理

流体阻损小等优点。其导热能力已远远超过任何已知金属的导热能力。但是它也存在很多限制。如：流体的流量大于毛细输送能力，会使毛细干燥，可能烧毁导管；蒸气流速过大，超过液体表面张力，则会使液滴飞散；当所有流体都达沸腾汽化时，会降低传热的能力；而蒸气流达音速时还会发生塞流现象；同时，低温的蒸气流动黏性力，使工作液体流动缓慢。 4、半导体制冷

半导体制冷就是利用一种特制的半导体制冷片在通电时产生温差来制冷，只要高温端的热量能有效的散发掉，则低温端就不断的被冷却。在每个半导体颗粒上都产生温差，一个制冷片由几十个这样的颗粒串联而成，从而在制冷片的两个表面形成一个温差。利用这种温差现象，配合风冷/水冷对高温端进行降温，能得到优秀的散热效果。

半导体制冷具有自身体积小、制冷温度低、可靠性高等优点，冷面温度可以达到零下10℃以下。但是半导体制冷成本太高，而且可能会因温度过低导致CPU结露造成短路，而且现在半导体制冷片的工艺也不成熟，不够实用。 5、化学制冷

化学制冷，就是使用一些超低温化学物质，利用它们在融化的时候吸收大量的热量来降低温度。这方面以使用干冰和液氮较为常见。比如使用干冰可以将温度降低到零下20℃以下，还有一些更“变态”的玩家利用液氮将CPU温度降到零下100℃以下（理论上），当然由于价格昂贵和持续时间太短，这个方法多见于实验室或极端的超频爱好者。 6、纳米尺度传热

利用热离子发射以及热隧穿效应，通过采用独特的工艺,将两个表面的间距控制在纳米量级,能够实现两个大表面之间的电子隧穿，从而有效的降低了需要克服的势垒。如果这种技术成熟的话，可以替代目前其他任何一种散热技术。

纳米传热技术，是利用量子阱结构电子隧道作为主要冷却机制，该技术特别之处在于电子是通过带隙移动，通过偏置电压，可以加强电子在一个方向上的移动，这样热量就可以从一端传到另外一端，由于两种材料之间存在一个带隙，这种带隙结构不是某一种具有热传导性能的材料，是一种很好的绝热层，这样热量一旦被捕捉在另外一端，就不会轻易产生回流的效应。该技术的难点在于如果让大量的电子通过空隙带迁移到另外一端，如何使得两种不同材料距离靠近的足够让带有热量电子从一种材料隧穿到另外一种材料。

第4章 LED散热分析

4.1 LED散热途径

概括起来，LED散热(图4-1)主要包括3个方面：(1)芯片结到外延层；(2)外延层到封装基板；(3)封装基板到外部冷却装置。

大功率LED

主要散热方向双层敷铜层的PCB

图4-1 LED散热途径

LED芯片是发热主体，首先LED芯片的热量通过LED芯片的基片再通过固晶方式传递至封装热沉（heat sink）上面，然后热量通过热沉传递至铝基PCB上，最终铝基PCB与金属制散热器结合，将热量传递至灯具外部，到达空气化境中。一般LED芯片的热量最终到达空气需要经过[25]：LED封装体—焊锡—铝基板线路层—导热绝缘层—铝基板—导热硅脂—散热器。

4.2 芯片封装结构和材料

针对高功率LED的封装散热难题，国内外器件的设计者和制造者分别在结构和材料等方面对器件的热系统进行优化设计。在封装结构上，采用大面积芯片倒装结构、金属线路板结构、导热槽结构、微流阵列结构等；在材料的选取方面，选择合适的基板材料和粘帖材料，用硅树脂代替环氧树脂。为了解决高功率LED 的封装散热难题，国际上开发了多种结构。 4.2.1 封装结构

目前主要有以下三种类型。

①硅基倒装芯片(FCLED) 结构。传统的LED采用正装结构, 上面通常涂敷一层环氧树脂，下面采用蓝宝石作为衬底。由于环氧树脂的导热能力很差，蓝宝石

第4章 LED散热分析

又是热的不良导体，热量只能靠芯片下面的引脚散出。因此前后两方面都造成散热的难题，影响了器件的性能和可靠性。

2001 年, LumiLeds 公司研制出了AIGalnN 功率型倒装芯片结构，如图4-2所示，LED 芯片通过凸点倒装连接到硅基上。这样热量不必经由芯片的蓝宝石衬底，而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底，再传到金属底座，由于其有源发光区更接近于散热体，可降低内部热沉热阻[26]。这种结构的热阻理论计算最低可达到1134 K/ W，实际做到6～8 K/ W，出光率也提高了60 %左右。但是, 热阻与热沉的厚度成正比的，受硅片机械强度与导热性能所限，很难通过减薄硅片来进一步降低内部热沉的热阻，制约了其传热性能的进一步提高。

蓝宝石衬底

蓝宝石衬底散热管座 a.正装的芯片

硅基散热管座 b.倒装的芯片

图4-2 LED不同的封装结构

②基于金属线路板结构。

金属线路板结构利用铝等金属具有极佳的热传导性质，将芯片封装到覆有几毫米厚的铜电极的PCB 板上，或者将芯片封装在金属夹芯的PCB 板上，然后再封装到散热片上来解决散热问题，如图4-3所示。

芯片粘贴材料

PCB

导热胶

外部热沉

图4-3 LED金属线路板结构

第4章 LED散热分析

③微泵浦结构。

2006 年Sheng Liu 等人通过在散热器上安装一个微泵浦系统来解决LED 的散热问题，在封闭系统中，水在微泵浦的作用下进入LED 的底板小槽吸热，然后又回到小的水容器中，通过风扇吸热。这种微泵浦结构(图4-4)可以将外部热阻降为1192 K/ W[29] 。这种微泵结构的制冷性较好，但如前两种结构一样，如果内部接口热阻很大，则其热传导就会大打折扣，此外，其结构也较复杂。

LED芯片基板水流

风扇热沉

微泵

图4-4 微泵浦结构

4.2.2 封装材料

封装结构确定后，可以通过选取不同的材料进一步的降低系统的热阻，提高系统的导热性能。目前国内外常针对基板材料、粘贴材料和封装材料进行择优。

1基板材料。 ○

对于大功率的LED 而言，为了解决芯片材料与散热材料之间因热膨胀失配造成电极引线断裂的问题，可以选用陶瓷、Cu/Mo 板和Cu/W板等合金作为散热材料。但这些合金生产成本过高，不利于大规模、低成本生产。选用导热性能好的铝板、铜板作为散热基板材料是当前研究的重点之一[30]。

2芯片粘结材料。 ○

选用合适的芯片衬底粘贴材料并在批量生产工艺中保证粘贴厚度尽量小，对保证器件的热导特性是十分重要的。通常选用导热胶、导电型银浆、锡浆和金锡合金焊料这四种材料进行粘结。导热胶导热特性较差。导电型银浆既有良好的热导特性，又有较好的粘贴强度，但由于银浆在提升亮度的同时会发热，且含铅等有毒金属，因此并不是粘贴材料的最佳选择。导电锡浆和银浆相似，由于含有铅、六价铬等重金属，不符合ROHS 标准。与前三者相比，金锡合金焊料的热导特性

第4章 LED散热分析

是四种材料中最优的，导电性能也非常优越[31]，但需要严谨的机械设计才能达到高精度的固晶。

3环氧树脂。 ○

环氧树脂作为LED 器件的封装材料，具有优良的电绝缘性能、密着性和介电性能，但环氧树脂具有吸湿性、易老化、耐热性差、高温和短波光照下易变色，而且在固化前有一定的毒性，固化的内应力大，对LED 器件寿命造成影响[32]。目前许多LED 封装业者改用硅树脂和陶瓷代替环氧树脂作为封装材料，以提高LED 的寿命。总的说来，低热阻、散热良好及低机械应力的新式封装结构是封装体的技术关键。结点到周围环境的热传导方式有三种：传导、对流、辐射。不同的结构和材料均需要解决三个环节的散热问题：芯片结到外延层、外延层到封装基板、封装基板到冷却装置。这三个环节构成固态照明光源热传导的通道，其中任何薄弱环节失败都会使LED 光源毁于一旦。也就是说，要想将功率LED 的散热性能和可靠性提升到最高，三个环节都需要采用热导系数高的材料。

4.3 散热片

4.3.1 各种金属的热导系数

热导系数直接影响着散热片的导热能力，它是散热片最重要的参数。选择具有良好导热性能的材料是散热片设计最首要的任务。

常见金属的热导系数如表4-1所示。

表4-1 常见金属热导系数表

材料碳钢黄铜铝合金银锌纯铜纯铝纯铁金热导系数(w/m·k) 39.2~36.7 109 162 427 121 398 236 81.8 298 24

第4章 LED散热分析

从表中我们可以看出，金、银热传导性良好，但是价格太高。铜的热传导率也极高，但是重量是铝的三倍左右，且很加工性很差，但是用铜做为散热片的底部可提升热传扩散的效率，降低热阻值。传统的散热片的材料为铝，成本低，且加工性能良好。但是纯铝的硬度不足，且金属切削性能差，在生产实际中多采用铝合金来制造散热片。表4-2为几种铝合金热导系数：

表4-2 常见铝合金热导系数表

材料 AA6061型铝合金 AA6063型铝合金 ADC12型铝合金 AA1070型铝合金 AA1050型铝合金 4.3.2 散热片的形状

热导系数(w/m·k) 155 201 96 226 209 特性热传导和加工均良好，常做散热片加工机械性能好较好的延展性，常做鳍片散热片的形状可以设计成多种形状，如圆柱阵列、条形阵列、金字塔形状等，这些都是为了通过改变结构来使用最少的材料获得最好的散热效果。

图4-5为不同形状的散热片。

（a）

(b)

(c)

图4-5 不同形状的散热片

(d)

第4章 LED散热分析

4.3.3 散热片设计的一般原则

散热片的设计有很多方法，这里主要介绍散热片设计的一般方式和强制对流散热片设计方法。

首先介绍散热片设计的一般方式，这些简单的方法可以对一些应用简单的散热片设计提供设计标准： (1)包络体积的观念

所谓包络体积是指散热片所占的体积，如果发热功率大，所需的散热片体积就比较大。散热片的设计可就包络体积做初步的设计，然后再就散热片的细部如鳍片及底部尺寸做详细设计。发热瓦数和包络体基的关系如下式所示。

3LogV1.4logW0.8(Min1.5cm) (4-1)

(2)散热片底部厚度

要使得散热片效率增加，散热片底部厚度有很大的影响，散热片底部必须够厚才能使足够的热能顺利的传到所有的鳍片，使得所有鳍片有最好的利用效率。然而太厚的底部除了浪费材料，也会造成热的累积反而使热传能力降低。良好的底部厚度设计必须由热源部分厚而向边缘部份变薄，如此可使散热片由热源部份吸收足够的热向周围较薄的部份迅速传递。散热瓦数和底部厚度的关系如下所示：

t7logW6(min2mm) (4-2) (3)鳍片形状：

散热片内部的热藉由对流及辐射散热，而对流部分所占的比例非常高，辐射基本忽略不计。

a.间隔散热片的壁面会因为表面的温度变化而产生自然对流，造成壁面的空气层(边界层)流，空气层的厚度约2 mm，鳍片间格需在4 mm 以上才能确保自然对流顺利。但是却会造成鳍片数目减少而减少散热片面积。鳍片间格变狭窄，自然对流发生减低，降低散热效率。鳍片间格变大，鳍片变少，表面积减少。 b.鳍片角度鳍片角度约三度。

c.鳍片厚度当鳍片的形状固定，厚度及高度的平衡变得很重要，特别是鳍片厚度薄高的情况，会造成前端传热的困难，使得散热片即使体积增加也无法增加效率。散热片变短时，增加表面积会增加散热效率，但也会使散热片的体积减少而造成的缺点(热容量减少)因而产生。因此鳍片长度需保持一定才能产生效果。鳍片变薄,鳍片传热到顶端能力变弱；鳍片变厚，鳍片数目减少(表面积减少)；鳍片增高，鳍片传到顶端能力变弱(体积效率变弱),鳍片变短，表面积减少。

第4章 LED散热分析

(4)散热片表面处理：

散热片表面做耐酸铝(Alumite)或阳极处理可以增加辐射性能而增加散热片的散热效能，一般而言，和颜色是白色或黑色关系不大。表面突起的处理可增加散热面积，但是在自然对流的场合，反而可能造成空气层的阻碍，降低效率。此外实际散热片设计时还需考虑与元件以及环境的配合，尤其是高效能散热片的设计需配合实验量测验证以及CFD或者ANSYS的分析模拟。

随着散热的需求日益增加，散热片的效率需要进一步提升，强制对流散热片设计方法也得到应用越来越广泛。基本上可透过两个方式来改善，第一个方法是增加热传系数h，第二个方法则是增加散热面积，可由牛顿冷却定律说明。

qhA(TheatsinkTair) (4-3)

热传系数可以通过以下几个方法增加：

(1)增加空气流速这个是很直接的方法，可以配合风速高的风扇来达成目的，但是须注意当鳍片变密或是形状形成阻碍时，会造成流阻，形成背压或回流，产生噪音及灰尘。

(2)平板型鳍片做横切将平板鳍片切成多个短的部分，这样虽然会减少散热片面积，但是却增加了热传导系数，同时也会增加压。当风向为不定方向时，此种设计较为适当。

(3)针状鳍片设计针状鳍片散热片具有较轻及体积较小的优点，同时也有较高的体积效率，更重要的是具有等方向性，因此适合强制对流散热片。鳍片的外型有可分为矩形、圆形以及椭圆形，矩形散热片是由铝挤型横切而成，圆形则可由锻造或铸造成型，椭圆形或液滴形的散热片热传系数较高，但成型比较不易。 (4)冲击流冷却利用气流由鳍片顶端向底部冲击，这种冷却的方式可以增加热传导性，但是须注意风的流向配合整体设计。

另一方面，强制对流散热片的设计还须注意系统风向及机构配合，利用系统风散热、注意其他零件造成的流阻以及利用外壳等部份做进一步散热，以节省空间。

第5章 LED散热结构仿真及设计

5.1 ANSYS 简介

5.1.1 ANSYS软件介绍

ANSYS软件[33]是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。

程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热－结构耦合分析能力。 5.1.2 有限元法的基本过程

ANSYS软件是通过运用有限元法完成热分析过程的。通常，有限元法的步骤如下流程图5-1所示。

定义材料特性、几何特征定义单元类型、选项建立散热片实体模型并进行网格划分打开通用前处理器PREP7 关闭SOLUTION 进入通用后处理器POSTI 进入ANSYS 定义分析类型和选项施加便捷约束条件和约束载荷开始 1 通过图形显示散热片温度云图关闭PREP7，进入求解处理器SOLUTION

关闭POST1,.退出ANSYS

1 图5-1 有限元法分析流程图

结束束为使热分析的结果尽可能真实地反映散热片实际工作情况，又要避免繁琐的

第5章 LED散热结构仿真及设计

热分析过程，需在散热片热分析功能模块的开发过程中作一些合理假设和简化处理：

○1假设工作时散热片表面的对流换热系数都是相同的； ○2计算中忽略辐射散热对计算结果的影响。

关于散热片的边界问题，在传热学中有3种边界条件：

第一类边界条件：给定物体表面温度的分布及其随时间的变化，即当时Tf(x,y,z,)时，w。

SST第二类边界条件：给定物体表面上热流密度的分布及其随时间的变化，即当

T()wqwSSqn时，。

T第三类边界条件：给定物体周围流体的介质温度f和物体表面与周围介质之

T()w(TwTf)SSa时，n间的对流换热系数，即当

在本文散热片的热分析中，由于已知空气的温度和散热片表面与空气之间的对流换热系数，因此应归为第三类边界条件问题。

5.2 LED散热片截面分析

5.2.1 单个LED需要的散热面积的估算

由对流散热方程：

 T (5-1) Qh A变换公式得到：

AQ/(hT) (5-2)

一般容许室温25℃时温升35℃，即60℃。自然对流时，h的典型值为 5W/(m2·℃) 对于1W的热量，

A1/(535)0.0057m257cm2 (5-3)

单颗1W(VF=3.3V,1F=300mA)的LED发热80%, 所以所需散热面积为46cm2。 5.2.2 散热片截面尺寸优化

(1)设定底座中心温度为恒定数值，调整散热片翅片间距和翅片厚度的比例关系，用ANSYS进行仿真，散热片最低温度随翅片间距与翅片厚度的比例关系变化

第5章 LED散热结构仿真及设计

如图5-2所示：

32.632.432.2最低温度3231.831.631.431.231值比01:011.1：11.2：11.3：11.4：11.5：11.6：11.7：11.8：11.9：102:01

图5-2 翅片间距与厚度比例变化时的最低温度

从上图可以看出，在翅片间距与翅片厚度的比值为1.5:1时，存在拐点，此时散热效果较好。

(2)设定底座中心温度为恒定数值，调整底座与翅片高度的比例关系，用ANSYS进行仿真，散热片最低温度随底座厚度与翅片宽度的比例关系变化如图5-3所示。

4540最低温度3530252001:0201:0103:0202:0105:0203:0107:0204:0109:0205:01比值

图5-3 底座厚度与翅片厚度比例变化时的最低温度

从上图可以看出，底座厚度与翅片厚度为1:1时，散热片效果最好。 (3)设定底座中心温度为恒定数值，调整散热片数目，用ANSYS进行仿真，散热片最低温度随翅片数目变化如图5-4所示。

第5章 LED散热结构仿真及设计

343332最低温度31302928272625123456789翅片数目

图5-4 散热片数目变化时的最低温度

从上图可以看出，随着翅片数目的增加，最低温度逐渐降低。

(4)设定底座中心温度为恒定数值，调整散热片高度与翅片厚度的比值，用ANSYS进行仿真，得到最低温度变化如图5-5所示。

555045温度403530251234比值5678

图5-5 散热片高度与翅片厚度比例变化时的最低温度

从上图可以看出，随着翅片高度的增加，散热效果逐渐变好，但是由于到一定程度即可满足散热效果，不必要把翅片做的过长增加额外的成本和体积。

(4)我们可以看出，散热片的散热性能与翅片间距、翅片厚度、翅片高度、底座厚度有关。截面如图5-6所示。

从上述分析可以得到散热片截面模型的优化比例关系为： B=1.5A； C=1A。

第5章 LED散热结构仿真及设计

图5-6 散热片截面图

此外，在实际情况中，通常散热片还有一定的倾斜角度，一般为3°左右。同时，还可以仿真不同形状的散热片，如圆盘形，或不规则图形，还可以在散热片上增加花纹，以更大程度的增加散热面积。但是，上述形状的改变仅仅只是为了增加面积，扩大与空气的导热能力。散热片的基本模型即上述讨论的形状，具有代表性。

5.3 利用ANSYS对不同形状散热片的仿真

上述研究只是针对散热片的截面进行分析，对于整体散热片性能可能会存在不同。并且，上述研究时设定底面中心温度为恒定值，而对于LED芯片来说，它所产生的热量是固定的，固定某点温度进行研究是不符合LED的模型的。因而下面将针对仿真散热片整体结构进行研究，从而更加准确的分析散热片的性能及各参数对它的影响。此时，我们在散热片中心放置LED芯片，施加热流密度。 5.3.1 利用ANSYS对直板式散热片仿真

(1)设置散热片整体长5 cm，宽5 cm，整体高度为4 cm，底座厚度为3 mm，翅片间距不同时，散热片温度分布云图如图5-7所示。

第5章 LED散热结构仿真及设计

1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =71.506SMX =91.0221NODAL SOLUTIONMAY 29 2010STEP=121:59:51SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =71.215SMX =87.667MAY 29 201022:09:10MNMNMXMXXYZXYZ NODAL SOLUTIONSTEP=2SUB =1TIME=2TEMP (AVG)RSYS=0SMN =82.215SMX =99.438a.间距为1mm时 MNb.间距为1.5mm时 NODAL SOLUTIONMAY 29 2010STEP=122:03:56SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =89.723SMX =107.982MAY 29 201022:02:18MN88.85385.83984.51682.18380.1878.52775.84374.87171.50671.215 1191.02287.66786.68584.01182.34880.35578.01176.69973.67473.043MXMXYZXXYZ c.间距为2mm时 d.间距为2.5mm时图5-7 不同间距时温度分布图 82.21586.04289.86993.69797.52489.72393.78197.838101.896105.953 84.12887.95691.78395.6199.43891.75295.8199.867103.925107.982间距不同时，散热片各个参数如表5-1所示。

表5-1 不同翅片间距时的最高温度

翅片间距(mm) 翅片厚度(mm) 间距：厚度 1 1.5 2 2.5 1 1 1 1 1 1.5 2 2.5 翅片数目 25 20 16 14 最高温度(℃) 91.022 87.667 99.438 107.982 由上表可以看出，翅片间距不是越大越好，也不是越小越好，当翅片间距与翅片厚度比值为3:2时，效果最好。间距越小，翅片越薄，单位长度上可装载的散热片的数量越多，从而增加了散热面积，提高了散热能力。

(2)设置散热片整体长5 cm，宽5 cm，底座厚度为3 mm，翅片厚度为1 mm，翅片间距为1.5 mm，当整体高度不同时，散热片温度分布云图如图5-8所示。

第5章 LED散热结构仿真及设计

1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =87.921SMX =103.7481NODAL SOLUTIONMAY 29 2010STEP=122:07:22SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =71.215SMX =87.667MAY 29 201022:09:10MNMNMXMXXYZXYZ NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =61.141SMX =78.335a.整体高度为3cmMNNODAL SOLUTIONMAY 29 2010STEP=122:10:16SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =54.387SMX =72.292b.整体高度为4cm时 MAY 29 201022:47:29MN101.9985.83998.47382.18394.95578.52791.43874.87187.92171.215 11103.74887.667100.23184.01196.71480.35593.19776.69989.67973.043MXMXYZXYZX c.整体高度为5cm 时 d.整体高度为6cm时 61.14164.96268.78372.60476.42454.38758.36662.34566.32370.302 63.05266.87370.69374.51478.33556.37760.35564.33468.31372.292图5-8 整体高度不同时的温度分布整体高度不同时，散热片各个参数如表5-2所示。

表5-2 整体高度不同时的最高温度

整体高度(cm) 整体高度：翅片厚度最高温度(℃) 3 4 5 6 3:1 4:1 5:1 6:1 103.748 87．667 78.335 72.292 从上表可以看出，最高温度随着整体高度的增加而减小。因而散热片整体高度越高，效果越好。

增加散热片的高度可以增加换热面积，从而提高散热。但是高度的增加会使散热片顶部的局部传热系数降低，导致平均传热系数的降低。同时，高度还影响从散热片基面到端部的温度降。高度越大，温降越大，导致散热片表面与周围大

第5章 LED散热结构仿真及设计

气平均温差降低，不利于散热。在实际应用中，散热片还受到整体外形尺寸的限制。

(3)设置散热片整体长5 cm，宽5 cm，高5 cm，翅片厚度为1 cm，翅片间距为1.5 cm，底座厚度不同时,温度分布云图如图5-9所示。

1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =53.783SMX =71.2341NODAL SOLUTIONMAY 29 2010STEP=121:22:44SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =61.141SMX =78.335MNMAY 29 201022:10:16MNMXMXXYZXYZ a.底座厚度为0.8mm时 NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =79.992SMX =96.961MNNODAL SOLUTIONMAY 29 2010STEP=121:21:00SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =70.136SMX =86.817b.底座厚度为1mm时 MAY 29 201021:25:5753.78357.66161.53965.41769.29561.14164.96268.78372.60476.424 1155.72259.663.47867.35671.23463.05266.87370.69374.51478.335MNMXYXZMX c.底座厚度为1.5mm时 d.底座厚度为2mm时 XYZ 79.99283.76387.53491.30495.07570.13673.84377.54981.25684.963 81.87785.64889.41993.1996.96171.98975.69679.40383.1186.817图5-9 底座厚度不同时的温度分布底座厚度不同时，散热片各个参数如表5-3所示。

表5-3 底座厚度不同时的最高温度

底座厚度（cm）底座厚度:翅片厚度最高温度(℃) 0.8 1 1.5 2 4:5 1:1 3:2 2:1 71.234 78.335 96.961 86.817 从上表可以看出，最高温度随底座厚度的增加先增大后减小。观察结果，当

第5章 LED散热结构仿真及设计

底座厚度与翅片厚度相等时，效果较好。

(4)设置散热片整体长5 cm，宽5 cm，高5 cm，翅片厚度为1 mm，翅片间距为1.5 cm，底座厚度为3 mm翅片高度不同时，温度分布云图如图5-10所示。

1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =59.62SMX =79.8611NODAL SOLUTIONMAY 29 2010STEP=121:28:03SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =61.141SMX =78.335MNMAY 29 201022:10:16MNMXMXYZYZX a.翅片高度为2cm时 b.翅片高度为3cm时 STEP=1SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =62.3SMX =78.173MAY 29 2010STEP=121:31:18SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =63.352SMX =78.186X MAY 29 201021:32:351159.6264.11868.61673.11477.61261.14164.96268.78372.60476.424NODAL SOLUTION61.869NODAL SOLUTION 66.36770.86575.36379.86163.05266.87370.69374.51478.335MNMNMXMXYYZXXZ c.翅片高度为4cm时 d.翅片高度为5cm时 62.365.82769.35572.88276.40963.35266.64869.94573.24176.537 64.06367.59171.11874.64678.1736568.29771.59374.88978.186图5-10 翅片高度不同时的温度分布翅片高度不同时，散热片各个参数如表5-4所示。

表5-4 不同翅片高度时的最高温度

翅片高度(cm) 2 3 4 5 翅片高度：翅片厚度 20:1 30:1 40:1 50:1 最高温度(℃) 79.861 78.335 78.173 78.598 从表中我们可以看出，最高温度随翅片高度的增加先减小后增大，当翅片高

第5章 LED散热结构仿真及设计

度是厚度的4倍时，效果最好。

5.3.2 利用ANSYS对柱状散热片进行仿真

(1)整体厚度不同时，散热片的温度分布云图5-11所示：

1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =79.732SMX =91.6561NODAL SOLUTIONMAY 29 2010STEP=123:38:41SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =66.416SMX =78.732MAY 29 201023:01:22YXMXZMNYXMXZMN a.整体厚度为3cm时 b.整体厚度为4cm时 79.73282.38285.03287.68190.33166.41669.15371.8974.62777.363 1181.05783.70786.35689.00691.65667.78570.52173.25875.99578.732NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =58.163SMX =70.828NODAL SOLUTIONMAY 29 2010STEP=123:03:16SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =52.516SMX =65.56MAY 29 201023:04:27YYXMXXMXZZMNMN c.整体厚度为5cm时 d.整体厚度为6cm时 58.16360.97763.79266.60669.4252.51655.41558.31461.21264.111 59.5762.38465.19968.01370.82853.96656.86459.76362.66265.56图5-11 整体厚度不同时的温度分布随着整体厚度不同时，散热片的最高温度也在变化(表5-5)。

表5-5 整体厚度不同时的最高温度

整体厚度(cm) 3 4 5 6 最高温度(℃) 91.646 78.732 70.828 65.56 37

第5章 LED散热结构仿真及设计

从上表可以看出，最高温度随着散热片整体厚度的增加而减小，因而，整体厚度越大，效果越好。但是整体厚度的增加会显得散热十分笨重，占用更大的空间。实际应用中要选择适当的尺寸即可。

(2)翅片厚度不同时，散热片的温度分布云图5-12所示：

1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =66.872SMX =80.6611NODAL SOLUTIONMAY 29 2010STEP=123:05:58SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =66.416SMX =78.732MAY 29 201023:01:22YXMXYXMXZZMNMN a.翅片厚度为2°时 b.翅片厚度为3°时 66.87269.9367376.06579.12966.41669.15371.8974.62777.363 1168.40471.46874.53277.59780.66167.78570.52173.25875.99578.732NODAL SOLUTIONSTEP=2SUB =1TIME=2TEMP (AVG)RSYS=0SMN =65.841SMX =77.404NODAL SOLUTIONMAY 29 2010STEP=123:07:00SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =65.231SMX =76.131MAY 29 201023:07:46MNYXMXYXZMXZMN c.翅片厚度为4°时 d.翅片厚度为5°时 65.84168.41170.9873.5576.11965.23167.65370.07572.49874.92 67.12669.69572.26574.83577.40466.44268.86471.28673.70976.131图5-12 翅片厚度不同时的温度分布随着翅片厚度的增加，散热片的最高温度也在变化(5-6)。

图5-6 翅片厚度不同时的最高温度

翅片厚度（°） 2 3 4 5

最高温度(℃) 80.661 78.732 77.40 76.131 38

第5章 LED散热结构仿真及设计

从上表可以看出，最高温度随着翅片厚度的增加而减小。翅片厚度越小，翅片数目越多，散热面积越大，则会大大增加传导和对流的效果，因而散热效果越好。但是，翅片越薄，加工难度越大，且易折断。因而，在实际中要结合加工精度进行厚度的选择。

(3)整体半径不同时，散热片的温度分布云图如图5-13所示：

1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =85.757SMX =97.3221NODAL SOLUTIONMAY 29 2010STEP=123:10:25SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =73.901SMX =85.424MAY 29 201023:27:20YXMXMNYXMXZZMN a.整体半径为3cm时 b.整体半径为3.5cm时 85.75788.32790.89793.46796.03773.90176.46179.02281.58384.143 1187.04289.61292.18294.75297.32275.18177.74280.30282.86385.424NODAL SOLUTIONSTEP=2SUB =1TIME=2TEMP (AVG)RSYS=0SMN =65.841SMX =77.404NODAL SOLUTIONMAY 29 2010STEP=123:07:00SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =59.999SMX =71.632MAY 29 201023:26:18YXMXYXMXZZMNMN c.整体半径为4cm时 d.整体半径为4.5cm时 65.84168.41170.9873.5576.11959.99962.58465.1767.75570.34 67.12669.69572.26574.83577.40461.29263.87766.46269.04771.632图5-13 整体半径不同时的温度分布随着整体半径的增加，散热片的最高温度也在变化(表5-7)。

表5-7 整体半径不同时的温度分布

整体半径(cm) 3 3.5 4 4.5

最高温度(℃) 97.322 85.424 77.407 71.632 39

第5章 LED散热结构仿真及设计

从上表可以看出，最高温度随着整体半径的增加而降低。显然，散热片整体半径越大，能够传导的距离越远，散热效果则会加强。但是，随着半径的增加，翅片越不易固定，并且要占用更大的空间。在实际中，要结合实际的要求选择合理的参数即可。

(4)中心实体厚度不同时，散热片的温度分布云图如图5-14所示：

1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =62.571SMX =75.3291NODAL SOLUTIONMAY 29 2010STEP=223:29:29SUB =1TIME=2TEMP (AVG)RSYS=0SMN =65.841SMX =77.404MAY 29 201023:07:00YXMXYXMXZZMNMN a.中心实体厚度为0.7cm时 b.中心实体厚度为1cm时 62.57165.40668.24171.07673.91265.84168.41170.9873.5576.119 1163.98866.82369.65972.49475.32967.12669.69572.26574.83577.404NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =72.508SMX =83.298NODAL SOLUTIONMAY 29 2010STEP=123:30:45SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =81.456SMX =91.757MAY 29 201023:31:31YXMXYXMXZZMNMN c.中心实体厚度为1.5cm时 d.中心实体厚度为2cm时 72.50874.90677.30379.70182.09981.45683.74586.03488.32390.612 73.70776.10478.50280.983.29882.684.88987.17889.46891.757图5-14 中心实体厚度不同时随着整体半径的增加，散热片的最高温度也在变化(5-8)。

表5-8 中心实体厚度不同时的最高温度中心实体厚度(cm) 0.7 1 1.5 2

最高温度(℃) 75.329 77.407 83.298 91.757 40

第5章 LED散热结构仿真及设计

从上表可以看出，最高温度随着中间厚度的增加而升高。显然，当中心厚度越大时，翅片越短，散热面积减小，而对流、传导中散热效果均与散热面积成正比，因而，中心厚度越厚，散热效果越差。但是，若中心厚度太小，则不能很好的固定LED芯片，结构不稳定。

5.4 LED灯具散热结构

5.4.1 灯具结构设计

目前，虽然市场上也有很多LED照明灯具的散热结构，大多数人总是想方设法利用不同的散热方式，如风冷、液冷、热管等方式，这些提高了散热性能，但是不可避免的存在着成本高、需要提供额外的能量等缺点而传统的利用散热片散热，不仅能与灯具结构更紧密的结合，而且，只要合理设计形状和参数，同样可以达到理想的散热效果，散热片其实还有很大的改进空间。

同时，目前在LED散热结构研究中还存在的一个巨大问题是，大多数人把注意力放在如何快速将热量带离热源，但是，如果不能高效地将热量与外界环境进行交换，依然无法达到理想的效果。热量与外界环境进行交换，最直接最有效的就是进行良好的通风，利用热流上升和空气对流，迅速的将热量发散到空气。

基于上述思想，依据前面推导的散热片优化数值，设计出了基于空气对流的LED照明灯具结构，整体结构如图5-15所示：

图5-15 LED照明灯具散热结构整体图

该款新型LED照明灯具散热结构由LED灯组、带通孔的散热底基板和导热背板、散热鳍片、散热管道及通风板组成。具体的组成结构为：（1） LED灯组是5×8个1W的封装好的LED芯片组成。

第5章 LED散热结构仿真及设计

（2） LED芯片直接均匀的分布在铜质的散热基板上，铜较高的散热系数可以将

热量迅速带离芯片，防止结温升高。

（3）在铜板的上方，分布着铝合金的散热鳍片，散热鳍片的形状与弧形的导热

背板紧密结合。

（4）顶部弧形的导热背板增加了散热面积，可以有效的将能量发散到空气中。（5）散热基板和弧形散热盖对应均匀的分布着散热通孔，散热通孔由散热管道

相连。管道与基板连接处温度较高，加热了管道内的空气，热空气上升将从与散热盖连接的通孔扩散到空气中。底部的冷空气会通过基板上的通孔进入管道，实现空气对流，完成冷热空气的交换，并及时带走了热量。（6）两侧的通风盖上对称分布着矩形的通风孔，良好的通风条件可以有效的带

走散热鳍片上的热量。

从下往上看时，LED灯具如图5-16所示：

导热背板

散热通孔

散热鳍片

通风孔

LED芯片

通风盖

散热底板

散热通孔

图5-16 从下往上看LED灯具散热结构分解图

该灯具基本尺寸是根据前面分析的直板式散热片结构数据进行设计的。其中间距为厚度的1.5倍，底座与翅片厚度相同，边界的散热翅片高度是散热翅片厚度的4倍。但是，为了增加与空气的接触面积，导热背板设计成了弧状结构，所以

第5章 LED散热结构仿真及设计

将散热翅片设计成与导热背板和散热基板紧密结合。

从上往下看时，灯具结构如图5-17所示：

导热背板

散热通孔散热管道

散热鳍片

通风孔

散热底板

通风盖

图5-17 从上往下看时灯具结构

5.4.2 灯具结构热仿真

首先，在ANSYS内建模，如同5-18所示

1VOLUMESTYPE NUM1VOLUMESJUN 5 2010TYPE NUM10:39:45JUN 5 201010:42:42ZXYZXY 图5-18 ANSYS建立LED灯具散热结构模型然后划分网格后，设定LED散热为总能量的80%，则每个芯片上热能为0.8W，

第5章 LED散热结构仿真及设计

芯片大小为分布在1cm2，则热流密度为8000W/cm2。设自然对流系数为10W/(m2 •℃)，外界温度25℃。

设定参数后，进行仿真，得到温度分布云图如图5-19和图5-20所示。 1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =25.332SMX =64.194JUN 5 201011:14:16MXXYZMN图5-19 温度分布云图(底座) 1NODAL SOLUTIONSUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =25.332SMX =64.194 25.33233.96842.60451.2459.876JUN 5 2010 STEP=129.6538.28646.92255.55864.19411:18:33ZXYMNMX图5-20 温度分布云图(散热片)

44 25.33233.96842.60451.2459.876 29.6538.28646.92255.55864.194第5章 LED散热结构仿真及设计

从仿真结果我们看出，芯片最高温度64.194℃。达到了理想的效果。该新型的LED照明灯具散热结构充分利用了热传导理论和空气对流理论，紧凑的结构不会占用很大的空间，形状的优化和良好的通风设计都将使这款灯具具有良好的散热效果。目前，未发现与此款LED灯具相同的散热结构。

结束语

第6章结束语

6.1 总结

本次毕业设计，通过研究LED散热的基本理论，分析了散热结构和散热方法。在对影响LED散热性能的因素有了清楚的了解后，利用软件进行了仿真设计。下面是对本次毕业设计工作的几点总结。

（1）根据LED散热的基本原理，建立了LED散热模型，探讨了LED散热结构

各个组成部分的影响因素；

（2）计算了单个LED所需散热面积，利用ANSYS对散热片截面进行仿真，得

到了散热片高度、厚度、间距之间的关系。

（3）利用ANSYS对片状散热片和柱状散热片进行了热学仿真，讨论了整体尺寸

及鳍片长度、间距、厚度形状等各个因素对散热器性能的影响；

（4）利用AUTOCAD软件，基于空气对流原理，设计了一款由散热底座、弧状

导热背板、散热鳍片、散热通道、散热通孔、通风盖等组成的新型LED照明灯具散热结构。

综上所述，经过一系列工作，分析了影响LED散热结构性能的因素，并且根据结论设计了一款新型LED照明灯具散热结构，完成了预期的任务。

6.2 展望

虽然完成了对LED散热的研究分析，并且设计了一款新型的散热结构，但是由于笔者水平，加上目前LED散热理论还有许多亟待完善的地方，将来一定还有许多可以改进完善的地方。为了尽可能用现有的知识对LED外部散热结构进行研究，日后还有许多工作可以做：

（1）目前只进行了理论研究，以后有条件的话可以进行实际加工，然后测量实

际参数，与理论结果进行对比；

（2） LED用于不同的场合都存在各个不同的影响因素，本文主要进行了常温下

散热性能的研究，以后可以继续展开高温、低温、空气流动等各个不同的外界环境下LED散热结构的研究；

（3）对于灯具都有尺寸规格的限制，如何在有限的空间充分发挥各个部件的散

热性能，对灯具的设计提出了巨大的挑战。而不同的散热方式也都有自己的优点，以后可以继续进行基于不同散热方式的散热结构的研究。

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致谢

本论文是在严高师教授和王文丽老师的悉心指导下完成的。半年来，导师传授的知识让我获益匪浅；他们善于发现问题并能够提出创新的解决方案，从中让我学会了不惧怕困难、勇于解决问题。从对题目的一无所知到一步步学会如何自己收集资料、自己学习、和别人共同探讨碰撞创意的火花，这一切都让我成长了许多。在此，送上我深深的谢意！

毕业设计期间，还得到了学长的热心指导，许多同学、朋友也给予了热情无私的帮助，即使是一些细琐的事情，他们都替我考虑许多，给了我很多的感动，让我感受到了温暖。感谢他们！

感谢我的父母，是他们一直默默支持着我走到今天！感谢学院领导和辅导员大学四年来对我的关怀！感谢母校四年来对我的栽培！

外文资料原文

Thermal Analysis of LED Arrays for Automotive Headlamp With a Novel

Cooling System

Sunho Jang and Moo Whan Shin

Abstract—In this paper, we report the thermal performance of a light-emitting diode (LED) headlamp module with a novel cooling system. An air-circulating cooling system was design for the LED headlamp module. The precise fluid field modeling and heat transfer analysis using computational fluid dynamics were performed according to the practical working conditions for the headlamp. The junction temperatures of LEDs were found to decrease by using the air-cooling system and, thus, improved the heat dissipating capability of the LED array. The junction temperature of the LED array was decreased from 70.6 ℃ to 30.25 ℃ when the circulating speed of the air increased from 0 to 120 km/h. Also, the temperature decrease of 2℃ ~ 4 ℃was obtained by using fins. By thermal analysis, the cooling system of LED arrays for the headlamps was found to be feasible. Also, the reliability of the headlamp with LED arrays can be improved with a good cooling system.

Index Terms—Cooling system, headlamp, light-emitting diode(LED), thermal simulation.

INTRODUCTION

HIGH-POWER light-emitting diodes (LEDs) keep attracting researcher’s interests due to their significant impacts on the solid state illumination industry. The realization of white color and increase of the optical efficiency of LEDs make the LEDs more and more possible to use for illumination. LEDs have been widely used in the hand phone and in the color display panel in automobiles. However, as high power is required for lighting LED headlamps, much more attention needs to be paid to comparisons with other lighting applications in automobiles. The optical output of LEDs is greatly dependent on the junction temperature of LEDs. Therefore, the proper cooling system design is critical for the light system with high-power LEDs. By efficient thermal management with a cooling system, the reliability of a headlamp can be ensured. In this paper, the new design of an air-cooling system for the LED arrays used in headlamps was proposed. The thermal performance and reliability of the headlamp were analyzed to make the headlamp with LED arrays commercially realized. The thermal performance and reliability of the headlamp were studied as function of the circulating speed of the cooling air, the input power and the number of fins. The LED arrays of 30 W composed of 30 LEDs of 1 W was used and the ambient temperature was set to 25◦C.

外文资料原文

The ambient temperature is the air temperature. It is the same as the boundary condition temperature set in the simulation. The air was used as the coolant. The thermal performance was quantitatively evaluated by using the commercial program

Fig.1 Schematic diagram of the air-cooling system.

(a) Isotropic view. (b) Top view

FLOTHERM SYSTEM DESIGN AND MODELING

The cooling system was designed by using the relative motion of the ambient air to the automobile. The proposed new air-cooling system is possible to use practically in the automotive headlamp.

The cool air goes into the headlamp module from the two air inlets in the front [as shown in Fig.1(a)], and the hot air leaves the headlamp module from the outlet in the back [as shown in Fig. 1(b)] carrying the heat away. The cooling ability of this system varies with the running speed of the automobile. Therefore, the thermal analysis was performed with the air speed in the range of 0∼120 km/h. To study the effect of fins, further modeling and simulation were performed. The section view of the cooling system is shown in Fig.2(a) and (b) for the air-cooling system without and with the fins, respectively.

The fin size was designed to be the same as the chip size. The fins’ effect on the performance of the cooling system was studied by this model. Aluminum was used to make the main body of the cooling system because of its easy formation to different shapes and good thermal conductivity. In this paper, an efficient air-cooling system was realized with an easy method by thermal analysis and modeling. It was confirmed that the heat generated by the LED arrays for automotive headlamps could efficiently be

外文资料原文

dissipated by just using the air-cooling system. The performance of the cooling system was investigated at the air temperatures of 15℃, 25℃, and 35℃. LEDs have the package size of 1×1 cm, and 1W input power was used for each LED. The total input power is 30 W for LED arrays composed of 30 LEDs. The space between different LEDs in the LED array was set to be 30 and 50mm for different directions, as shown in Fig.3, to minimize the effect from each other. As LED chips at different locations of the LED array have different temperatures, the temperature distributions of LED chips at different locations were also presented. All the structural parameters employed in the thermal analysis have the same values as in the real devices.

Fig. 2. Section view of the cooling system. (a) Air-cooling system without ins. (b) Air-cooling

system with fins installed.

Fig. 3. Schematic view of the LED array.

外文资料原文

CONCLUSION

Thermal analysis of a novel cooling system for the LED array for headlamps was done in this paper. The difference of junction temperature by using the cooling system with fins and without fins was about 4℃, and a more identical temperature gradient was obtained by the cooling system with fins. Also, the cooling effect at different ambient temperatures was analyzed and it was found that the difference ratio was identical. With the increments of air velocity, the maximum temperature was decreased about 40℃. From the data, we found that air-cooling systems can be used for LED headlamps if the proper fin number, air velocity and ambient temperature were applied.

外文资料译文

新型冷却系统下汽车头灯LED阵列的热分析

Sunho Jang and Moo Whan Shin

摘要—在本论文中，我们提出了一个带有新型冷却系统模块的发光二极管（LED）头灯的热学性能。为LED头灯模块设计了一个空气循环冷却系统。运用精确的流场模拟与传热分析对实际工作条件的头灯进行了计算模拟。通过使用空气冷却系统发现会降低LED的结点温度，因此，提高了LED阵列的散热能力。当空气的流通速度从0提高到120公里/小时，LED阵列的结点温度从70.6℃下降至30.25℃。此外，通过使用散热片，其温度也会降低2℃~4℃。通过热分析，发现车头灯LED阵列冷却系统是可行的。此外，具有良好的冷却系统时，LED阵列型头灯的可靠性可能会提高。

关键词—冷却系统，头灯，发光二极管（LED），热学仿真。

引言

由于高功率发光二极管在固体照明行业的重要影响，研究人员始终对其保持

着极大的兴趣。白颜色和LED的光学效率提高的实现使LED用于照明变得越来越可能。LED已经被广泛应用于手机和汽车彩色面板显示。不过，由于对LED头灯照明高功率的要求，需要更多的关注与其他汽车照明应用的比较。LED的光输出很大程度上依赖于LED的结温。因此，设计合适的冷却系统是高功率LED照明系统的关键。通过对冷却系统高效的热管理，可以保证一个头灯的可靠性。在这篇论文中，提出了在头灯的LED阵列所使用的空气冷却系统的新型设计。对头灯热性能和可靠性进行的分析，使得LED阵列型头灯实现商业化。通过冷却空气的流通速度，输入功率和散热片数量来研究头灯的热性能和可靠性。采用30个1瓦的发光二极管组成的LED阵列，环境温度设置为25℃。周围环境的温度是室温。在模拟中边界条件设定相同的温度。空气是作为冷却剂。使用商业散热分析对热性能进行了定量评价。

图1 空气冷却系统示意图

系统设计与建模

利用周围空气对汽车的相对运动设计冷却系统。提出的新空气冷却系统几乎可以使用在汽车照灯。

冷空气从头灯模块前两个进气口进去，如图1a所示。同时热空气从头灯模型的后面的出气口流出并带走热气，如图1b所示。该系统的冷却能力随汽车的运行速度而变化。因此，热分析是以空气在0〜120公里/小时的速度范围为前提的。研究了散热片的影响，然后进一步建模和仿真。该冷却系统的空气冷却系统分别为没有和有散热片的视图，如图2(a)及(b)所示。

散热片尺寸被设计为与芯片尺寸相同。通过这种模式研究散热片对冷却系统性能的影响。由于铝易变为不同的形状和良好的热传导性而被用来制造冷却系统的主体。在此论文中，提出了一种高效的便于热分析和建模的空气冷却系统。据报道，LED阵列型的汽车前照灯产生的热量能够仅仅通过空气冷却系统而消退。该冷却系统的性能是在15℃的25℃和35℃进行研究的。发光二极管包装大小有1 × 1厘米，每个LED为1瓦输入功率。由30个发光二极管组成的LED阵列板总输入功率为30W。不同的LED发光二极管在阵列中不同方向的间距设置为30和50毫米，这样可以尽量减少相互之间的影响，如图3所示。由于LED芯片在LED阵列的不同地点会有不同的温度，所以对不同地点的LED芯片的温度分布

进行了描述。在热学分析中所有结构参数均与实际装置的值相同。

图2 空气冷却系统部分结构图

图3 LED在阵列中的分布

结论

本论文成功的对LED阵列型的车头灯的一种新型冷却系统进行了热分析。使用有或无散热片的冷却系统时，结点温度的差异约为4℃，更一致的温度梯度可由带有散热片的冷却系统获得。此外，通过对不同环境温度下的冷却效果进行分析，发现该差异率相同。随着空气流速的递增，最高温度降低约40℃。通过数据我们发现，如果有适当散热片数量、空气流速和环境温度，该空气冷却系统可被LED头灯使用。

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