[发明专利]利用光电热耦合理论的LED芯片空间排布优化方法

说明书

本发明公开了一种利用光电热耦合理论的LED芯片空间排布优化方法。本发明首先依据特定的光源结构，将其LED的位置进行编号；其次通过仿真建立热阻矩阵并依据热阻矩阵计算各个LED的结温变化情况；然后通过遗传算法求解所有LED结温变化和最小；最后确定LED最优空间排布。本发明提出的热阻矩阵可以方便计算出每一个LED的结温升。通过使用算法能快速准确的确定最佳的LED空间排列。光源系统的整体温升降低可以保证工作性能的提升。

技术领域

本发明涉及一种多个LED芯片空间排布的优化方法，尤其涉及基于光电热耦合理论对多LED在明确空间规则前提下的空间排布的优化方法。

背景技术

LED作为一种固态照明人工光源，由于具有发光效率高、寿命长、体积小、能耗低、光谱丰富等特点，在太阳光模拟器、室内照明光源、路灯照明光源、植物工厂照明等方面有广泛应用。LED在工作过程中，其光学参数如发光效率、光通量、光功率，电学参数如驱动电流、驱动电压，和热参数如结温、热阻、热耗散系数相互影响，具有光电热耦合效应。

采用多LED芯片阵列排布方式可克服单芯片在输出功率上的局限性，满足高功率辐照度输出的需求。同时，多芯片之间存在热扩散耦合效应，单个LED的结温升高来源于自身及相邻其他LED芯片之间的热耦合。结温升高将影响LED的发光效率、寿命等参数。

目前对LED的热管理问题研究非常广泛。Bender[1]等人提出了一种基于相同类型LED的电热模型和以升降压变换器作为LED电路的电流驱动的控制系统。模型综合考虑到电路和光源的电热特性，控制系统提出了电流变化规律和保证LED工作在最佳的温度以达到理想的工作性能。Hui[2]等人提出了一种基于LED的光电热耦合特性的LED系统的动态热模型和跟踪最佳功率点的控制策略。这个控制策略通过测量环境温度和LED系统的散热片温度动态的获得LED系统的最佳工作点以获得最大光通量。福州大学[3]研究者们针对在恒流驱动状态下的LED不适宜应用在温度变化大或者精度要求高的场合，考虑到只有正向电流才控制光通量的输出主要因素，提出了新的以容易获取的正向电压、电流为变量的恒定光通量的方法作为理论模型，能有效降低由于温度升高引起的LED光通量的衰减。在以上的LED光电热耦合理论中针对的都是同种型号的LED建立电热模型，而在实际应用中通常为了达到特定要求，普遍使用高低功率混合应用的光源系统，因此会产生不可避免的热耦合效应。卢红丽[4]等人针对多芯片LED的大功率系统对先进的热管理技术的需求逐渐提高，提出了一种基于热耦合矩阵的能精确预测多芯片LED的温度分布的热耦合模型，并通过实验验证了模型的准确性。邱宝军[5]等人针对多芯片组件(MCM)传统热阻表示方法的不足，基于线性叠加原理，采用有限元模拟技术，提出了MCM的结到壳的热阻表示方法——热阻矩阵，并利用有限元模拟方法对热阻矩阵进行了验证。采用热阻矩阵方法预测器件结温的误差是足够接受的。在发明专利(CN 105843979A)中[6]，针对LED多芯片模块的结温测量问题提出了一种基于芯片间的热阻矩阵进行快速测量模块中结温分布的方法。并通过模块阵列排布的对称性减少需要测试芯片的数量，降低热阻矩阵的计算量。在实用新型专利(CN205579208U)中[7]，公开了一种阵列且相间排布高低色温的LED光源的方法。

参考文献

[1]Vitor Cristiano Bender,Ronaldo Antonio Guisso,Rafael AdaimePinto.An Extended Design Methodology for LED Lighting Systems IncludingLifetime Estimation[J].IEEEtransactions on electron devices,2016,63(12):4852-4859