磁瓦柔性成像新型LED光源熱阻分析與計算

劉培勇,蘇 龍,梁亞峰,王青春

(成都航空職業技術學院 汽車工程學院,成都 610100)

鐵氧體磁瓦是一種瓦狀永磁體,主要在永磁直流電機中用來產生恒定磁勢源[1]。永磁電機在汽車、計算機等行業應用廣泛,致使鐵氧體磁瓦需求量巨大。鐵氧體磁瓦需要經過球磨、壓制成型、燒結和磨削等工序制成[2],很多因素都會導致磁瓦出現裂紋、崩塊、掉角和偏磨等多種缺陷。磁瓦質量對永磁電機的性能有較大影響,需要剔除缺陷磁瓦。引入機器視覺技術,可對磁瓦表面缺陷進行快速、準確和非接觸的實時在線檢測,是磁瓦表面缺陷檢測技術發展的方向。

由于磁瓦型號規格眾多,表面顏色灰暗,經磨削加工的空間曲面和眾多倒角面對光照方向敏感,極易形成局部反光;磨痕紋理也可能掩蓋裂紋缺陷,這些情況都會導致磁瓦圖像處理難度增大。因此,磁瓦表面缺陷檢測的難點之一是實時獲取高質量的磁瓦圖像。實驗表明,采用市面上的通用光源照明,難以保證對磁瓦各檢測表面均獲得高質量的圖像,也難以滿足磁瓦在運動成像時對光照度的要求。為解決上述問題,本文設計開發了磁瓦柔性成像大功率新型發光二極管(Light Emitting Diode,LED)光源(以下簡稱光源)。該光源可根據成像需要,配置不同功率的光源板。如對于磁瓦尺寸測量工作,為提高精度,選用像素較高的acA1920-50gm型工業相機,其分辨率為1 920×1 200?；谠撔拖鄼C技術參數和運動成像曝光時間要求,經計算,光源選用60顆LUXEON TX L1T2-4070000000000型號的大功率LED燈珠。在結溫為85 ℃條件下,該型號LED的典型驅動電壓為2.86 V時,其驅動電流為1 A,則對應耗散功率Pd為2.86 W,光源總功率P為171.6 W。光源功率較大,必須對其散熱性能進行校驗。

1 LED光源散熱分析

1.1 LED熱阻模型分析

LED散熱控制極為重要,LED光源的可靠性主要依賴于光源的散熱性能[3]。LED結溫對LED壽命、光通量、驅動電壓等都有明顯影響,在散熱不良時,LED結溫很容易超過最大允許值而導致LED損壞。因此必須對光源進行熱設計和熱校驗,確保光源工作穩定可靠。

LED光源散熱性能主要取決于光源良好的導熱性能和散熱結構。劉佳欣等[4]采用納米銀膏作為芯片固晶材料,為大功率發光二極管提供良好的散熱通道,可有效降低芯片結溫并提高器件可靠性。金德智等[5]對LED植物燈散熱板進行散熱優化設計,使其散熱效果達到最佳,而且生產工藝簡單。Hamida等[6]設計了一種用于LED散熱的翅片微通道,使用Al2O3水納米流體流經該微通道進行對流傳熱,并通過優化其幾何形狀來最大程度地提高傳熱效率。這些方法對提高LED光源的散熱性能效果明顯,但因為成本原因,并不適用于單件小批量生產。

在傳熱學中,傅里葉定律是熱傳導的基本原理。對于一維熱傳導,傅里葉定律基本表達式[7]為:

(1)

散熱首先要保證良好的導熱。由于溫差的存在,熱量會從溫度高的點向溫度低的點傳遞。熱量在傳遞過程中遇到的阻力,稱為熱阻R。設溫度高的點的溫度為Th,溫度低的點的溫度為Tl:

(2)

Th=QR+Tl。

(3)

對于熱流經過截面積不變的平板,導熱熱阻R為:

(4)

目前來說,大功率LED輸入電功率中只有不到40%的小部分轉化為輻射通量[8],其大部分轉化為熱量。在工程實踐中,一般都忽略轉化為光的那部分功率,并假設輸入電功率都轉變成了熱量。

圖1為本設計中LED的熱系統結構和一維熱傳導模型。在熱系統結構上,采用了熱電分離結構;為減小熱阻,LED散熱焊盤焊接在鋁基板上,并在鋁基板和散熱安裝板之間涂覆導熱性能良好的導熱硅脂。在本模型中,LED以傳導散熱為主,輻射散熱和對流散熱比例極小,可忽略不計。其傳導散熱路徑為:PN結熱量經SiC襯底到LED散熱焊盤→焊錫層→鋁基板→導熱硅脂→散熱安裝板→空氣。根據LED熱阻網絡模型,以上各部分對應的熱阻分別為RJS、RSM、RMG、RGB和RBA。設LED的PN結經傳導散熱路徑到空氣之間的總熱阻為RJA,則有:

圖1 LED熱系統結構和熱阻網絡模型

RJA=RJS+RSM+RMG+RGB+RBA。

(5)

在LED工作熱平衡后有:

TJ=RJAPd+TA。

(6)

式中:TJ為PN結的結溫;Pd=Vf·If=2.86 W,為LED的耗散功率,即2個結點間傳導的熱功率;TA為環境溫度。

在熱平衡后,由圖2可知,以每2個LED間隔的中心面為界,由于溫度相同,熱流不能再橫向擴展,各個PN結產生的熱量經過散熱焊盤和鋁基板等零部件向外傳導。因此,可以把各LED的熱傳導通道視作獨立通路,將LED熱傳導通道所對應的各零部件劃分為形狀相同、截面積相等的虛擬獨立網格單元,以簡化熱阻計算。

根據設計尺寸,按圖3可以計算出一個LED分別對應的鋁基板、導熱硅脂和散熱安裝板所對應的熱傳導面積,如表1所示。圖3中,S1、S2、S3、S4、S5分別為散熱安裝板的各散熱表面。

圖3 LED虛擬獨立網格單元

表1 虛擬網格單元各組成部分的截面積與厚度

根據所選型號LED產品數據手冊,在驅動電流為1 050 mA時,其PN結最高可承受溫度為150 ℃,超過該溫度則PN結可能被燒毀。由圖4[9]可知,為延長使用壽命,保證LED性能,并留有足夠的冗余量,在光源熱平衡分析中,PN結溫度按100 ℃計算。從圖4可知,當PN結溫度為100 ℃,其相對光輸出量約為97.5%。

圖4 歸一化光輸出與結溫的關系

1.2 LED熱阻計算

設最大環境溫度為45 ℃,根據式(6)有:

(7)

由式(5)和式(7)有:

RBA=RJA-RJS-RSM-RMG-RGB=

19.23-RJS-RSM-RMG-RGB。

(8)

為求解RBA,需要分別求出RJS、RSM、RMG、RGB,求解過程如下所述。

1)由文獻[9]可知:RJS=3 ℃/W。

2)求RSM。

熱阻包括導熱熱阻和接觸熱阻。同一物體內部對熱流所呈現出的熱阻是導熱熱阻。2個固體接觸表面之間,實際上只有少量凸起部分真正緊密接觸,而大部分表面間形成導熱不良的空氣隙,阻礙熱量傳導,從而產生了接觸熱阻。通常采用熱界面材料(Thermal Interface Material,TIM)填充于2個固體表面之間,消除其間的空氣隙,降低它們之間的接觸熱阻,促使熱量有效傳導。在熱平衡計算中,一般把接觸熱阻計算在熱界面材料層,則對于熱界面材料,其實際熱阻為:

(9)

式中,Ri為接觸熱阻。

接觸表面的平整度、光潔度、緊固壓力,以及熱界面材料的厚度、彈性模量、壓縮量等實際使用條件,都會影響接觸面的有效接觸面積,進而對接觸熱阻產生影響。所以對于熱界面材料,常用特定使用條件下的材料參量熱阻抗Z來表征其導熱性能。根據文獻[10],熱阻抗的測試計算表達式為:

(10)

式中:R為包括導熱熱阻和接觸熱阻的實際熱阻;ΔT為熱量流入面與流出面之間的溫差,℃。

由式(10)可推出:

(11)

熱阻抗是在整個接觸區域上將實際熱阻值歸一化到單位面積上的結果,是對熱界面材料層熱性能的精確描述。

LED通過Sn63Pb37焊接于鋁基板焊盤上,焊料填充于LED焊接面與鋁基板焊盤之間并形成冶金鍵,使接觸界面接觸良好,有效消除了接觸界面之間的空氣間隙,所以其接觸熱阻可以忽略不計。由于LED的焊接質量對熱傳導具有重要影響,而且焊盤面積較小,僅有1.2 mm×1.4 mm=1.68 mm2,所以要求焊著率達到100%。如果存在焊接缺陷,會造成熱阻增大甚至帶來LED被燒毀的后果。

表2 Sn63Pb37焊層主要技術參數

焊料合金中主要成分為w(Sn)=63%和w(Pb)=37%,導熱系數為51 W/(m·℃),其厚度一般在0.10～0.15 mm之間,計算時取中間值0.125 mm。由式(4)可得到焊層熱阻為:

3)求RMG。

采用熱馳DLC-CPCB鋁基板,其特點是絕緣層采用類金剛石薄膜(Diamond Like Carbon,DLC)材料,該材料導熱系數在800 W/(m·℃)以上,大于目前已知金屬的熱傳導率,具有優良的導熱性能和優良的絕緣性能。該鋁基板導電層、導熱絕緣層和金屬基層分層導熱系數為398,800,220 W/(m·℃),綜合導熱系數達到220 W/(m·℃),接近于鋁材。

表3 熱馳DLC-CPCB鋁基板主要技術參數

鋁基板用螺釘連接安裝在散熱安裝板上,厚度為2 mm。其熱阻為:

(13)

4)求RGB。

采用TG300導熱硅脂作為鋁基板和散熱安裝板之間的熱界面材料,其技術參數見表4。

表4 TG300導熱硅脂主要技術參數

(14)

導熱硅脂涂覆厚度一般在0.05～0.15 mm,如果取0.10 mm計算,從圖5可知,熱阻抗Z=0.42 ℃·cm2/W,根據式(11),導熱硅脂涂覆層熱阻為:

(15)

圖5 TG300導熱硅脂熱阻與厚度的關系曲線

5)求RBA。

散熱安裝板是LED散熱的主要部件,材料為6063鋁合金,導熱系數為201 W/(m·℃),散熱效果良好。散熱安裝板采用黑色陽極氧化表面處理。同等條件下,黑色物體將熱能對外輻射的能力高于非黑色物體。同時,陽極氧化表面處理生成的氧化膜表面具有納米孔洞結構[11],增加了散熱的表面積。在自然冷卻條件下,經過黑色陽極氧化表面處理的散熱器能將散熱效率提高10%～15%,同時起到良好的防腐蝕的作用。RBA包括了散熱安裝板自身的傳熱熱阻和與空氣間的傳熱熱阻。由式(8)有:

RBA=19.23-3-1.46-0.042-0.19≈14.54。

(16)

如圖3所示,散熱安裝板對應于LED的獨立虛擬網格單元所傳導的熱功率為Pd,則散熱安裝板與環境溫度的設計溫差Δt為:

Δt=RBAPd=14.54×2.86≈41.58。

(17)

可以根據散熱安裝板表面溫度TDB計算LED燈珠PN結的溫度TPN為:

TPN=TDB+4.692×2.86≈TDB+13.4。

(18)

為了保證LED燈珠PN結的溫度不高于100 ℃,則散熱安裝板表面溫度TDB不應高于86.6 ℃。

對于自然冷卻散熱,根據文獻[12]計算散熱安裝板的散熱量。其計算公式為:

(19)

式中:φ為熱流量,W;A為換熱面積,m2;C為查表系數;D為特征尺寸,m。

式(19)中的D除與平板尺寸有關外,還與散熱面位置有關。所以需要根據散熱面位置不同,分別計算各散熱面所能散發的散熱量,然后再對各散熱面散發的散熱量進行求和,即可求出總散熱量。

在圖3中,LED不在散熱安裝板中心位置,其溫度分布并不均勻,但6063鋁合金導熱系數較高,獨立虛擬網格單元對應的板件尺寸不大,則降低了這種影響。因此,為計算最大散熱量,可以假定LED單元對應的板件在熱平衡后,其散熱表面溫度與環境溫度溫差均為41.58 ℃。如圖3所示,根據光源設計尺寸和式(19),光源安裝散熱板各表面S1、S2、S3、S4、S5的散熱量計算結果如表4所示。

根據表4,安裝散熱板總散熱量Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=0.42 W?；诠庠船F有結構的自然冷卻散熱功率,僅為LED耗散功率Pd=2.86 W的14.69%。對于自然冷卻方式,散熱器與空氣的接觸面積是決定散熱器熱阻的主要參數。鑒于光源安裝位置和結構尺寸限制,以及因相機成像位置可調而不能產生遮擋的原因,難以對光源選裝合適的散熱器和散熱風扇,也難以對光源結構進行調整以大量增加散熱面積。所以光源不能滿足散熱性能要求。

表4 LED散熱板各表面散熱量計算

2 光源的控制

有鑒于此,光源考慮采用觸發控制,觸發后將光源點亮時間控制在1 000 μs內,單個LED實際功率P=0.003 4 W,大大降低了光源實際功率,有效解決了光源的散熱問題,并可顯著降低LED的PN結結溫,從而保證光源性能。

圖6為光源觸發控制電路板。光源主電路由IRFP4568PbF增強型MOS場效應管控制,該MOS管的導通由光電開關控制。當磁瓦到達成像位置時,觸發光電開關,光電開關發出信號,在觸發MOS管的同時,觸發相機拍照,并可向可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)發出光源點亮信號;光源的熄滅可由另一個光電開關觸發或由PLC控制,以精確控制光源需要點亮的時間。

所有光源都是采用恒壓控制,由1個程控直流穩壓電源集中供電,電源電壓可通過通信精確控制,并與各相機曝光時間相協調。

圖6 光源觸發控制電路板

3 實驗結果

3.1 溫升測試

分別在長亮和觸發2種控制方式下,采用溫度傳感器和溫控儀測試散熱安裝板溫度,并設定當散熱安裝板溫度超過80 ℃則切斷光源電源,并記錄光源工作時間,如圖7所示。為提高測試準確性,在溫度傳感器304不銹鋼貼片與散熱安裝板之間涂覆一薄層散熱硅脂,然后用醫用膠布將該傳感器貼片完全覆蓋并粘在散熱安裝板上固定,最后用50 mm×150 mm德式重型F夾提供約40 psi(≈0.28 MPa)的壓強。測試結果如表5所示。

圖7 磁瓦柔性成像光源測試

表5 光源溫升測試

從表5可知,對于觸發控制,光源穩定工作1 h,散熱安裝板溫升基本穩定在環境溫度以上0.8 ℃,可以長期穩定工作;對于長亮控制,經過19 min,散熱安裝板溫度即達到80 ℃,不能穩定工作。

3.2 照度測試

如圖8所示,通過程控電源將光源驅動電流調整為1 000 mA,將光源遮光板調節在最下部位置,在距光源下底面5 mm的檢測平面中心位置上,通過TES-1339R專業級照度計測量照度值大小,在散熱安裝板溫度為45.8℃時測量值為59 890 lx,與光源設計值和仿真值相接近。

為避免圖像模糊和拖尾等現象,對運動物體成像的曝光時間,應小于物體運動1個像素所對應的實際物理距離所需要的時間。廠家要求檢測磁瓦最大尺寸為90 mm×72 mm,確定最大視野范圍為100 mm×80 mm,檢測速度按72塊/min設計。為避免成像干擾,根據光源結構尺寸,確定磁瓦在輸送帶上的中心間距為210 mm,即磁瓦以252 mm/s的速度運動。如前所述,相機分辨率為1 920×1 200,則相機曝光時間t為:

(20)

對在檢測線上按正常速度輸送的、拱高和灰暗程度不同的典型磁瓦成像,相機型號為acA1920-50gm,曝光時間均為125 μs。圖8中(a)圖是對拱高較大、色澤較暗的磁瓦所成的像,(b)圖是對拱高較小、色澤較淺的磁瓦所成的像。如圖8所示,磁瓦圖像清晰,對比度高,背景均勻,未出現拖尾等運動模糊現象,具有較高的成像質量。由于曝光時間留有較大裕量,光源亮度完全滿足設計要求。

4 結論

通過構建LED光源熱阻模型,基于LED虛擬獨立網格單元方法解決了光源散熱計算問題;通過將光源控制方式改進為觸發控制,使光源發熱功率降低為連續照明控制方式的1.2‰,從而解決了大功率磁瓦成像光源的散熱問題。實驗結果表明,磁瓦圖像未出現拖尾等運動模糊現象,光源亮度滿足對各型磁瓦的運動成像要求。本文設計的光源成本低,成像質量高;在實際檢測工作中,光源未出現過熱情況,工作性能穩定可靠,能滿足大批量磁瓦表面缺陷實時在線檢測成像要求。