大功率LED背光源的光学研究及其热分析

论文摘要

随着LED发光效率的提高,与传统光源相比,由于其节能、环保、响应时间短、体积小、寿命长等优势,越来越广泛地应用在背光源上。本文研究了大功率,高亮度的LED背光源,首先利用光学软件对光学系统进行设计与仿真,然后在光学设计基础上,对其进行热学分析,检验背光模组是否在额定温度下工作,以此简化系统设计的流程,缩短系统设计的周期。文章首先简单地阐述LED的发光原理及其特性,介绍白光LED的发光原理,并结合LED芯片封装结构的演变介绍目前国际主流白光封装技术,然后分析了LED结温对LED器件的影响。接着介绍了光学基本理论,光学建模的基本要素以及光学设计软件Tracepro的光线追踪原理和步骤,建立LED发光简化模型,研究了1W LED的光照度分布情况,接着推导出相应的光照度均匀分布公式。根据混光腔厚度的设计为20mm时,当背光源LED的间距20mm时光照度最均匀,并用计算机仿真模拟加以验证。然后推广到LED背光源阵列,光学均匀性达到95%。在保证相同光照度情况下,用3W的LED取代1W得LED,用计算机模拟,当LED间距为28mm,光学均匀性到85%,符合要求。然后介绍了LED中热的产生、热特性以及热管理、热问题的研究现状,同时介绍了光源模块及其热问题。指出ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用。对要研究的对象建立了热阻模型,计算得到内部热阻为4.2999K/W,外部热阻为72.2367K/W,从而得到整个器件总热阻为80.691K/W。用数值模拟方法直观地显示了稳态条件下封装体内各个部分的温度分布,计算出的内部热阻为5.875K/W,与理论分析的结果比较接近。分析了热流密度矢量和温度梯度,接着模拟出LED内部的热应力分布,指出LED的内部应力在允许范围内。然后重分析了LED发热功率和对流交换系数对LED结温的影响。同时模拟了大功率LED光源模块的温度分布,由于各个LED之间距离较近,存在着热耦合现象,因此模块芯片比单颗芯片工作时结温高。同时分析了LED结温与分布间距之间的关系。然后模拟用3W LED取代光源模组,其温度也在额定温度下。文章最后设计了一个测温试验,并与理论、模拟分析的情况进行了对比,总结得出LED热分析的一种有借鉴意义的手段:通过简易方法测得特征温度,然后与模拟所得的关系式结合,进而分析得出结温和热阻。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 课题提出的背景
• 1.1.2 LED 背光源的技术优势
• 1.2 国内外的技术现状与发展趋势
• 1.3 LED 背光模组简介
• 1.3.1 侧光式LED 背光源
• 1.3.2 直下式LED 背光源
• 1.4 本文主要的研究内容和目标
• 第二章 LED 发光原理及其特性
• 2.1 LED 的发光机理
• 2.2 LED 的特性
• 2.2.1 光谱特性
• 2.2.2 电流/电压特性及电流/发光强度特性
• 2.2.3 LED 时间响应特性
• 2.3 LED 的封装结构
• 2.4 白光LED 发光原理
• 2.4.1 单晶型LED
• 2.4.2 多晶型LED
• 2.5 结温对LED 器件影响
• 2.5.1 对芯片发光的影响
• 2.5.2 温度对LED 器件的寿命的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 LED 背光源的建模与仿真
• 3.1 光学建模
• 3.1.1 基本光度学检测量
• 3.1.2 光源建模的基本要素
• 3.1.3 光源模型的基本要求
• 3.2 Tracepro 软件简介
• 3.2.1 Tracepro 的光线追踪原理
• 3.2.2 Tacepro 光学设计的基本步骤
• 3.3 LED 光学模型的建立
• 3.4 单个LED 的光照度分布
• 3.4.1 平方反比定律
• 3.4.2 单个LED 的光照度分布
• 3.5 两个LED 的光照度分布
• 3.6 LED 阵列的光照度分布
• 3.6.1 LED 的排列方式
• 3.6.2 LED 均匀背光阵列分析
• 3.6.3 LED 局部调光阵列分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 大功率LED 的热分析
• 4.1 传热学理论基础
• 4.1.1 热传递的基本方式
• 4.1.2 稳态传热与瞬态传热
• 4.1.3 热阻
• 4.1.4 LED 中的热效应
• 4.2 LED 及其光源模块的热阻网络模型
• 4.2.1 单颗大功率LED 热阻模型
• 4.2.2 LED 光源模块的热阻模型
• 4.3 热阻的计算
• 4.3.1 单颗LED 热阻计算
• 4.3.2 LED 背光源模块热阻的计算
• 4.4 大功率LED 温度场的有限元法分析
• 4.4.1 有限元法的理论基础
• 4.4.2 ANSYS 热仿真的基本步骤
• 4.4.3 单颗大功率LED 热仿真
• 4.4.4 结果分析
• 4.4.5 LED 背光源模块分析
• 4.4.6 结果分析
• 4.4.7 几个定量关系
• 4.5 本章小结
• 第五章 LED 热问题的实验研究
• 5.1 研究LED 热问题的实验手段
• 5.2 热学试验
• 5.2.1 试验过程
• 5.2.2 实验结果
• 5.3 结果分析
• 5.3.1 实验误差分析
• 5.3.2 结温
• 5.3.3 热阻
• 5.4 本章小结
• 总结与展望
• 1 本文总结
• 2 下一步工作
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得的研究成果
• 致谢