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。

       chulejidianbujianrufengshanzhiwai
，lvdianjiedianrongqizaixuduodianzidianluzhonghuixianzhishiyongshouming。dianrongqishidianhuaxuezhuangzhi，zaizhengchangcaozuoqijian，shidianjiezhizhujianyongyuzhongxinxingchengyanghualvjiedianceng。 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(tu)2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）或huo完wan整zheng組zu件jian可ke能neng的de表biao現xian。由you於yu任ren何he電dian子zi產chan品pin的de設she計ji和he開kai發fa過guo程cheng都dou是shi迭die代dai的de，所suo以yi在zai整zheng個ge產chan品pin開kai發fa過guo程cheng中zhong必bi須xu重zhong複fu計ji算suan。在zai每mei個ge階jie段duan，都dou需xu要yao糾jiu正zheng設she計ji錯cuo誤wu
，甚shen至zhi可ke能neng會hui漏lou掉diao熱re點dian。每mei一yi項xiang變bian更geng都dou會hui增zeng加jia項xiang目mu的de時shi間jian和he費fei用yong
，增zeng加jia在zai市shi場chang中zhong失shi去qu時shi機ji的de風feng險xian。

       而er且qie，這zhe種zhong方fang法fa的de精jing度du相xiang對dui較jiao差cha，設she計ji人ren員yuan不bu得de不bu過guo度du設she計ji散san熱re管guan理li。舉ju例li來lai說shuo

，這zhe可ke能neng意yi味wei著zhe使shi用yong更geng大da的de散san熱re片pian，增zeng加jia成cheng品pin的de尺chi寸cun和he成cheng本ben，甚shen至zhi可ke能neng意yi味wei著zhe在zai不bu需xu要yao風feng扇shan的de情qing況kuang下xia使shi用yong風feng扇shan，大da大da降jiang低di成cheng品pin的de“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

        一(yi)旦(dan)原(yuan)型(xing)完(wan)成(cheng)，開(kai)發(fa)團(tuan)隊(dui)通(tong)過(guo)測(ce)量(liang)物(wu)理(li)溫(wen)度(du)驗(yan)證(zheng)模(mo)擬(ni)的(de)準(zhun)確(que)性(xing)。在(zai)評(ping)估(gu)這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)時(shi)，重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)要(yao)考(kao)慮(lv)所(suo)使(shi)用(yong)測(ce)量(liang)設(she)備(bei)的(de)精(jing)度(du)限(xian)製(zhi)。這(zhe)些(xie)可(ke)能(neng)是(shi)熱(re)電(dian)偶(ou)、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Axingdeng。shejimubiaoshiyongduiliulengqueshixianjinkenengdidesanrepianwendu，congerzuidaxiandudiyanchangdengpaodeshiyongshouming。suizhewendudeshenggao
，yunxingshoumingjiangdi。shiyongrejianmolaiyouhuasanreqisheji，bingqiezaipingguzuizhongchanpinshi，faxianmonijingquedaoceliangwendude5％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。 dengdezhongliangshiyigeguanjianwenti，suoyisanreqixuyaobaochizaizuixiaodechicun

，eryoubuhuiyingxiangchanpindeshiyongshouming。congzuichudeshejidaozuihoudesheji，dengneigediandepingjunwendujiangdile19％，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