Точное тепловое моделирование — путь к достижению проектных целей при разработке светодиодных светотехнических изделий
Взрывной рост рынка светодиодной светотехники, произошедший за последние годы, обусловлен целым рядом факторов, не последними из которых являются экологическое законодательство и забота об охране окружающей среды. Светодиоды гораздо эффективнее традиционных источников света, таких как лампы накаливания, и менее вредны для окружающей среды, чем люминесцентные лампы, поскольку не содержат ртуть. К тому же их цвет и яркость можно настраивать. Таким образом, светодиоды представляют собой очень гибкие источники света для профессиональных, промышленных и бытовых применений. Но проектирование светодиодных светотехнических изделий — сложная междисциплинарная задача. В этой статье мы рассмотрим проблемы регулирования тепловых режимов и покажем, как тепловое моделирование способно помочь в достижении проектных целей в части надежности, размеров, формы и эксплуатационных характеристик изделия (рис. 1).
В самом деле, заявленный срок службы светодиодных ламп (обычно в диапазоне от 25 000 до 50 000 часов) выдерживается не всегда, а характеристики светодиодных приборов подчас ухудшаются с течением времени. Эксплуатационные характеристики (качество и количество излучаемого света, срок службы, стабильность цвета и другие параметры) тесно связаны с температурным режимом внутри светильника или лампы прямой замены. При заданных условиях окружающей среды температура непосредственно влияет на способность конструкции светильника эффективно рассеивать выделяемое в нем тепло.
Трудности проектирования
Еще два родственных фактора, влияющих на долгосрочную надежность светодиодной светотехники, — это алюминиевые электролитические конденсаторы, применяемые для запасания энергии в светодиодных драйверах, и рыночный спрос на миниатюризацию светильников и ламп. Помимо электромеханических компонентов, таких как вентиляторы, алюминиевые электролитические конденсаторы известны как одни из главных виновников сокращения срока службы многих электронных схем. Эти конденсаторы представляют собой электрохимические устройства, в которых в ходе нормальной работы влажный электролит понемногу расходуется и образует диэлектрический слой из окиси алюминия. В конечном счете электролит высыхает полностью, и конденсатор отказывает. При высоких температурах данный процесс ускоряется.
В профессиональной сфере (например, в индустрии развлечений) существует спрос на более компактные светильники, которые легче в транспортировке и не так мешают при работе. В контексте замены традиционных ламп, начиная от уличных фонарей и заканчивая бытовыми потолочными светильниками, требуется удерживать размеры и форму изделий в пределах, заданных более старыми светотехническими технологиями. Обычно это предполагает необходимость разместить внутри светильника электронный драйвер и светодиодный светоизлучательный модуль, а в случае направленного освещения — еще и линзы.
Подходящие драйверы
Драйверы служат для преобразования переменного напряжения сети в низкое постоянное напряжение, необходимое для питания светодиодов, и для эффективной выработки максимального количества света. Несмотря на свою высокую эффективность, светодиоды (а точнее, их полупроводниковые кристаллы) все же выделяют тепло, как и элементы схемы драйвера, в особенности силовые транзисторы. Когда все тепловыделяющие части размещаются в малом объеме пространства, чтобы соблюсти физические ограничения на конструкцию, это может приводить к быстрому и сильному нагреву — вплоть до превышения максимальной температуры в 100 °C, которую обычно выдерживает p—n-переход светодиода.
Сложность для проектировщиков светодиодных светильников и ламп заключается в том, как уместить все в доступном объеме пространства, чтобы при этом температуры в критически важных точках внутри и снаружи готового изделия оставались в допустимых пределах. И именно здесь может помочь тепловое моделирование, особенно если применять его на всем протяжении процесса проектирования. На рис. 2 показан пример тепловой модели многокристальных модулей с хорошим регулированием тепловых режимов.
Преимущества теплового моделирования
Традиционно большая часть работ по проектированию и разработке выполняется на основании практических правил расчета тепловых режимов конкретного компонента, печатной платы или готового узла. Поскольку процесс проектирования и разработки любого электронного изделия является итеративным, расчеты приходится повторять на всем его протяжении. На каждой стадии необходимо исправлять проектные недочеты, и даже при этом есть вероятность не заметить места перегрева. Каждое изменение — это дополнительная задержка и удорожание проекта, что грозит упущением благоприятной рыночной конъюнктуры.
К тому же относительно низкая точность этого подхода приводит к тому, что проектировщики предусматривают чрезмерно большой запас по регулированию тепловых режимов — например, используя излишне массивный радиатор, увеличивающий габариты и стоимость конечного продукта. Порой в изделие даже встраивают ненужный вентилятор, тем самым серьезно сокращая среднее время наработки на отказ — метрику прогнозируемого срока службы. Но еще важнее, пожалуй, то, что это может стать причиной скрытых проблем теплового характера, которые проявляются уже после ввода изделия в эксплуатацию. Потенциальные издержки, связанные с гарантийными рекламациями, заменой изделий и ущербом репутации фирмы, могут быть катастрофически высокими.
Таким образом, тепловое моделирование позволяет проектировать более компактные и экономичные изделия, которые работают лучше и служат дольше. Еще одно преимущество теплового моделирования — возможность сократить время проектной итерации, что позволяет испробовать множество вариантов регулирования тепловых режимов и в конечном счете быстрее вывести продукт на рынок.
Место моделирования в процессе разработки
Чем раньше в процессе проектирования выполняется тепловое моделирование, тем ниже риск, что в дальнейшем потребуется вносить значительные изменения в конструкцию для устранения выявленных проблем теплового характера. На всем протяжении проекта инженерам-электронщикам, инженерам-конструкторам и специалистам по тепловому расчету следует работать в тесном сотрудничестве, чтобы в процессе проектирования учитывались результаты теплового моделирования и влияние конструктивных изменений на тепловые характеристики. На рис. 3 показана схема взаимодействия между членами коллектива с различной специализацией.
На начальном этапе процесса можно использовать очень простую концептуальную модель, в которой все электронные компоненты представлены сосредоточенной тепловыделяющей массой. Она позволяет определить, можно ли охладить светильник в пределах требований чернового технического задания (рис. 4). Суммарная рассеиваемая мощность изделия, его габаритные размеры, размеры радиатора и воздушный поток вентилятора (если он используется) — вот вся информация, доступная на этой стадии.
На следующем этапе, когда создан предварительный проект, в средство теплового моделирования для получения полезных результатов необходимо ввести следующую информацию:
- сведения об элементах и их расположении на печатной плате;
- оценка рассеиваемой мощности наиболее значимых компонентов;
- размерный эскиз корпуса светильника.
Температурные графики, построенные по результатам моделирования, позволяют увидеть, в каких местах вероятно превышение максимально допустимой рабочей температуры элементов.
Результаты зависят от входных данных
Чем точнее входные данные, тем точнее будет и моделирование. По результатам первоначального моделирования проектировщики печатных плат и инженеры-конструкторы могут составить представление об изменениях, способных улучшить тепловые характеристики светильника или лампы. Этот процесс повторяется по ходу проекта.
Предлагаемый окончательный проект следует вновь подвергнуть тепловому моделированию, прежде чем изготавливать прототип. Чтобы обеспечить точность моделирования на этом этапе, необходима дополнительная информация:
- тепловые модели элементов светильника, если их производители предоставляют такие модели;
- трехмерные САПР-модели корпуса светодиодного светильника или лампы, которые можно импортировать в средство моделирования в различных стандартных отраслевых форматах;
- схемы печатных плат из САПР электронных устройств, которые можно импортировать в стандартных отраслевых форматах, таких как IDF и IDX;
- сведения о токоведущих дорожках в слоях печатных плат;
- сведения о характеристиках материалов светильника;
- обновленные оценки рассеиваемой мощности элементов светильника, полученные из инженерных расчетов.
После изготовления прототипа коллектив разработчиков проверяет точность моделирования путем физических измерений температуры. При оценке этих данных важно учитывать пределы точности используемых средств измерений.
В зависимости от применения это могут быть термопары, датчики температуры, устанавливаемые на полупроводниковые кристаллы, или инфракрасные датчики.
Точность теплового моделирования
Специалист по тепловому расчету компании Optimal Thermal Solutions BV Норберт Энгельбертс (Norbert Engelberts) участвовал во многих проектах по разработке светодиодных светотехнических изделий с использованием программы теплового моделирования 6SigmaET, созданной компанией Future Facilities. Первым стал проект светодиодной лампы для замены 60-Вт ламп накаливания типа A с цоколем E27 для европейского рынка. Проектной целью была минимально возможная температура радиатора при конвекционном охлаждении для максимального продления срока службы лампы. Срок службы сокращается с ростом температуры. Тепловое моделирование использовалось для оптимизации конструкции радиатора. При оценке конечного продукта точность моделирования составила 5% от измеренных значений температуры.
Такая же степень точности была достигнута при проектировании светильника нижнего света. Здесь проектной целью было определить наименьший возможный размер радиатора, при котором температура p—n-перехода светодиода оставалась бы существенно ниже предела, равного 100 °C. Общее отклонение измеренных значений температуры от модельных составило всего 4,6%.
Энгельбертс также использовал тепловое моделирование при разработке лампы для уличного освещения. Требовалось обеспечить эффективное регулирование тепловых режимов в герметизированном корпусе со степенью защиты IP66, размеры и форма которого определялись параметрами традиционной лампы, подлежавшей замене. Основной проблемой была масса лампы, поэтому размер радиатора необходимо было опять-таки свести к минимуму, чтобы излишне не сократить срок службы изделия. По сравнению с первоначальным вариантом проекта в окончательном виде средняя температура в различных точках лампы была снижена на 19%, а в отдельных точках — на 35%. Конечный продукт оказался всего на 13% тяжелее традиционной лампы, которую он заменил — и, разумеется, гораздо надежнее и экономичнее.
Средства теплового моделирования
В основе программных средств теплового моделирования электроники лежат методы вычислительной гидродинамики. Для проектирования светодиодных светотехнических изделий подходят, в частности, такие средства, как FloTHERM компании Mentor Graphics и 6SigmaET компании Future Facilities. Программа FloTHERM существует свыше 25 лет, а 6SigmaET — более новая программа, адресованная как опытным специалистам по тепловому расчету, так и тем, кто не обладает большим объемом специальных знаний.
Поскольку основная цель внедрения теплового моделирования — ускорить разработку изделий и повысить их качество, ключевыми соображениями при выборе средств моделирования должны быть простота использования (особенно в отношении импорта САПР-моделей и создания моделей), а также скорость и точность моделирования. Следует также оценить качество обучения и технической поддержки, обеспечиваемых поставщиком программного обеспечения. Хорошей практической мерой относительной сложности программных средств может служить длительность учебных курсов.