模拟从功率LED到金属条的热传递

我正在研究工作场所的照明，并开发了20 V –> 38 V PWM'恒流源来驱动我的功率LED（最大功率约为64W）。到现在为止还挺好。但是，通过将一个LED固定在尺寸过小的散热器上，我几乎将其热死（“幸运的是，电线触点及时及时地自身未焊接，从而停止了该过程）。”

现在，我正在考虑冷却选项。为了避免主动冷却（即风扇嗡嗡作响），我正在考虑“懒惰”的出路（尺寸距离最终产品还差，我还没有散热器的候选对象）：

我想将19 x 19毫米LED直接安装在铝条或型材上。现在，我已经在使用热仿真软件了，但是这似乎是最重要的（到目前为止，它大部分都是崩溃的，再加上我有很多理论要跟上）。所以：

• 将恒功率热源连接到一块金属上时，是否存在众所周知的热分布解析模型？
  • 如果没有，有没有转到仿真软件？到目前为止，我正在和Elmer一起玩。
• 完全是通过仿真完成此工作，还是为60W LED配备了被动冷却功能？

数据（来自LED数据表）：

• 结壳热阻0.8 K / W
• 19x19毫米
• 最大额定功率64.2 W
• 我计划使用的连续功率：36.6 V·0.72 A = 26.352 W

如果我的理解是正确的，则您需要估计散热器或导热材料板对环境的热阻，而没有任何气流（=自然对流）。

有一个很好的翅片散热器长方形在线计算器实现了对散热器自然对流模型（该模型的更多的学术，详细的解释在这里）。

这是一个与您的设计问题有关的示例（55x55x55mm的外部尺寸，10x1mm的散热片，基板厚度为10mm以及相当保守的2,000 W /m2ºC接触电导）：

在环境温度25ºC和流入散热器的热量为26.35 W的情况下，所得的源温度约为110ºC，这意味着在自然对流条件下，散热器的热阻为3.23ºC/ W。

尝试使用计算器，以找到最适合您的设计的外部尺寸。

我走过那条路，但是模拟器的成本太高了，学习曲线也很陡。如果您不是热力学工程师，那么您在理解术语时可能会遇到一些问题，我做到了。我阅读了有关热力学的教科书，以及各种散热器设计论文和散热器模拟器。

我建议您在在线金属上购买铝条，价格为$ 1.23（0.125 x 1.5 x 12）（6061 T6511是最便宜的），安装LED使其工作，然后将其放入冰箱。将其带入潮湿的房间，在其中凝结。然后将其放入冰箱，使其结霜，将其取出后用火加热，并观察冰晶在酒吧升温时融化时形成的图案。结果类似于模拟器的输出。现实生活也惊人地准确。

此外，这不是浪费时间，如果您进行仿真，您仍然需要工具条来查看仿真的距离。

但是问题是，您将在一个小时左右的时间内得到非常热的铝条，其温度几乎与LED一样高。但是您不需要大面积的气流。每英尺1.23美元或以下的铝条是一种非常便宜的散热器。

我也不喜欢粉丝。这个非常安静，因为它在12VDC，30.3 dB，2300 RPM时仅移动 13 CFM，但效果很好。

最大36V 2.4 Amp
图案仅显示在一侧，实际上是对称的。

测量背面温度。

电流下降并扩散。

好消息：确实存在一个相当准确的简单数学模型。

基本上，您可以将大多数热问题建模为一个简单的电路：

1. 热功率=电流
2. 热温差=电压
3. 热阻=电阻
4. 热质量=电容器

您的情况甚至更简单：由于您不关心时间常数，因此无需担心热质量。

所以你的模型应该像这样

LED Junction -> {R1} -> LED Mounting Surface -> {R2} -> Al Bar -> {R3} -> Ambient

哪里

• R1：从LED结到LED安装表面的热阻
• R2：LED与铝连接的热阻
• R3：从铝到周围空气的热阻

它们都是串联的，因此您只需将它们加起来即可。如果R1 = 1.2K / W，R2 = 0.8K / W和R3 = 0.1 K / W，则总电阻为2.1K / W。对于40W的散热，您的LED结将比环境温度高2.1K / W * 40W = 84开尔文（或摄氏）。在25℃的环境下，结温将在109℃。

坏消息：很难建模所需的数据

您将需要三个热阻和最大允许的LED结温。

1. 如果幸运的话，可以在数据表中找到LED的R1和最高温度。
2. R2非常棘手，因为它取决于确切的材料，确切的形状，平整度，安装表面和Al条的确切表面处理。在这里，甚至铝的阳极氧化工艺的颜色和细节也很重要。
3. R3：如果条形相当大，则应该很小

该做什么取决于您的测量能力。一般来说，这很有可能会起作用。确保LED牢固地固定在铝条上，并在连接上放一块散热垫或一些散热膏。

触摸条：靠近LED的地方应该明显变暖。如果没有，则意味着您没有任何热量传递到钢筋中，并且热连接不好。如果整个酒吧感觉温暖或什至发烫，则说明您与环境之间的热耦合不足。考虑杆的更大表面积。

一个60W LED是一个热挑战，因为热源很小且非常强大。因此，您将需要较厚的金属以将热量横向散布到足够大的散热器中。

这类似于台式机的cpu：表面积小，功率大。许多台式机散热器使用热管来解决散热问题。无风扇PC散热器应该可以工作。

但是，这并不能解决您的其他问题，因为一个60W LED是非常亮的光源，对于工作场所的照明也不理想。它会令人眼花bright乱，并会投射出刺眼的阴影。

您可以通过使用如下所示的LED灯条来解决这两个问题：

http://www.leds.de/en/LED-strips-modules-oxid-oxid-oxid-oxid-oxid/High-power-LED-strips/

我在项目中使用了这些：

http://www.leds.de/en/LED-strips-modules-oxid-oxid-oxid-oxid-oxid/High-power-LED-strips/PowerBar-LED-Strip-12-Nichia-LEDs-CRI- 90.html

它们位于金属PCB上，并且可以将其切割成单独的LED。然后，我使用导热环氧树脂（每10厘米一个LED）将它们粘贴到铝制L型材上。

将产生热量的LED散布在一定长度的铝型材上可以使冷却更加容易，并产生更舒适的光线。

编辑

好的，放开60W LED。

我想它朝下。您希望散热片垂直放置，以实现最佳对流。这指向这种形式的因素：

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如果使用扁平散热器，则需要将LED安装在厚铝制方形架上，然后将其安装在散热器上。

由于您的问题是散布小源产生的热量，因此您也可以使用扁平热管：

友情 链接

Lisa是一个有限元分析工具，至少对于具有max。大约1000个节点。

模拟是困难的，需要深入了解，并且它基于关于边界条件的假设。如果安全并且可能的话，进行实际测试会更好。如果您已经有led和散热器的候选者，则可以尝试一下。以已知但安全的功率水平运行它，使其达到平衡（=不再可测量的温度上升）并存储该最终温度。您必须具有合适的设备进行测量。LED与环境之间的温差与耗散功率成正比。当然，除非将其自身用作传感器，否则您不能进入LED内部。制造商可能会提供一些有用的正向电压，电流和温度之间关系的数据。

但是您也可以在LED和散热器之间的边界处进行测量。在该点与半导体之间肯定有可用的热阻，或者直接将允许的温度限制告知散热器边界处的温度。

如果您将10W的温度升高说成允许升高的1/3，则最大耗散= 30W。

请注意，在机柜中，环境温度也会升高，必须将其考虑在内。还必须考虑相邻的其他加热设备。它可以加热环境并散发热量。您现在已经知道，也许已经知道热设计是一个充满挑战和陷阱的领域。

附录：这个问题很有趣。我认为将其安装到铝板上可以解决LED的散热问题。一些快速计算表明，没有薄板会钉住它。每个2个输出晶体管之一的耗散与100W音频放大器中的耗散相当，因此需要相同的散热器。如果灰尘阻塞了它们，它们的性能将遭受极大的损害。切记要破坏常规清洁作为保修的条件，否则请制造出尺寸过大的散热器。

让您了解使用被动式散热片时遇到的问题。Cree提供了参考设计，以替代1000W HPS灯。

固定装置由四个“引擎”组成。每个130瓦发动机的尺寸为11.25“ x 7.25” x 2.5“。这基本上是散热器的尺寸。

所使用的散热器为Aavid黑色阳极氧化P / N 62625

估计价格（仅散热器）$ 450

每瓦是3.46美元。

为您的64瓦那将是$ 222。

450美元的费用基于Aavid黑色阳极氧化P / N 627252（2.28“ x 9.75” x 55“）

而Aavid 701652 1.78“ x 12” x 48“为431美元。

每个引擎由48个LED组成，推动130瓦功率。

您只需要一个散热器的一半大小。该散热器为11.25“ x 7.25” x 2.28“

请查看博客文章“如何设计平板散热器” http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/。它提供了有关如何计算用作散热器的金属板的热阻的详细说明。我相信，如果您给他们提供您的电子邮件地址，您也可以得到一个进行计算的电子表格。

本质上，您需要确定外表面的辐射和自然对流电阻，然后确定传导热阻。根据以下所示的热电路将三个加在一起：

哪里：

Rconv是外部对流电阻

Rrad是外部辐射电阻

Rsp是传播阻力

Rint / Rcont是接触电阻或界面电阻

Rth-jc是LED的结电阻的情况

Ts是散热器表面温度

Tj是LED结温

Rconv和Rrad的方程式相当复杂，并在博客文章中进行了详细说明。

一个简单的香料模拟器可以做到这一点：就像电容器在放电一样。