大功率LED灯具的散热结构设计的探讨

大功率LED灯具的散热结构设计的探讨

康鸿雁

深圳市金照明实业有限公司

摘要：目前，高功率灯的散热问题已成为一个瓶颈制约主导产业的进一步发展。这台LED灯散热器的优点是体积小、重量轻、结构简单、制造成本低作为主要研究方向。LED灯散热器的不同结构设计具有不同的辐射特性。在这项研究中，对现有的主流LED灯散热器进行了测量，并对冷却过程进行了总结和分析效果。然后提出了导灯散热器结构设计的概念。并对LED工作温度场、传热和热集成进行分析验证设计理念。

关键词：大功率LED路灯；散热器；灯具散热优化

引言

发光二极管（LightEmittingDiode，LED）属于21世纪具有好的发展前景的新型冷光源。LED灯的发光原理就是靠发光二极管内部的PN结里的电子在能带间跃迁进而产生光能，但芯片会出现发热的现象，尤其是大功率型LED。若将多个LED串并联组装成一个模组，其散发出的热量会大大增加。目前，LED整体工作效能不是很好，只有15%-20%的电能量成功转化为光能，而剩余的80%-85%的电能量则通过其它形式转化为热能，致使芯片功率密度变得很大。在行业内LED器件的散热性整体而言较差，首先，因为发白光的LED灯其发光的光谱中并不包含红外部分，即其工作时产生的热量不能依靠红外辐射进行释放；其次，LED灯具本身的扩散热阻与解除热阻很大，工作时产生热量较多。在LED灯工作时，若散热性不好将会产生十分严重的后果，如缩减LED灯的光能量输出，减少器件的使用寿命，会造成LED发射光的主波长产生偏移等。

近年来，如何使LED灯工作时产生的热能以最快的方式散发出去这一关键问题被国内外学术界关注，进而相对应地进行各种研究。由于LED灯具多采用经验化设计进行散热，散热装置过于传统且专业性不高，导致当前LED灯具的散热问题仍未得到解决。因而，通过对大功率LED灯具的热分析与热设计后进行散热器的结构设计具有及其重要的现实意义。

论文详细介绍了LED灯的散热技术并建立相应散热器模型，然后选取了一款大功率的LED灯作为论文的研究模型，利用ANSYS有限元分析软件对该款LED灯模型进行热分析，得到灯具各点的温度分布与芯片工作时产生的最高温度，在上述测量数据的基础上对该灯的散热结构进行优化设计，最终得到十分满意的散热效果。

1、LED灯散热技术及模型建立

1.1LED灯散热技术

对大功率LED灯进行散热的主要技术有散热片、热管、均温板、辐射涂覆层、导热膏、导热垫片等。其中，散热片是选用扩大表面积的方式将热对流逐渐散发到环境里，干扰散热片其散热性能的相关因素主要有散热片的形状、翅片的相对数量、各间距、设计的尺寸大小、安装的倾斜角度、制作材料以及生产加工工艺等。论文里所选用的灯具模型在工作时就选用散热片进行热量驱散。热管则是利用冷凝液对应的循环变化，将LED灯工作时产生的高热量疏导出并散发去。通常情况下，散热片会与热管的冷端结合使用，用来实现更好热量驱散效果。均温板与热管的制作及使用原理相似，只是热管属于单向的一维传热形式，而均温板采用面传热，整体设计为二维性，令散热器表面接受温度均匀。辐射涂覆层是用于散热器的外表面进行涂覆进行散热的涂料，目的是为了提高整体辐射率，使产生的热能有效的驱散辐射出去。而导热膏与导热垫片则是通过减小接触的热阻进行散热。论文采用翅片作为大功率LED灯散热器结构设计的主要器件，它是一种十分有效的增强换热表面的设计方法。它可以令产生的热流量沿着肋高度的对应方向进行传导，并同时向周边环境进行以对流或者对流叠加辐射的方法进行热量驱散。其散热的表面积越大，驱散热量效果越佳，但并不构成简单的比例关系运算。

1.2LED灯散热器模型建立

论文初步设计采用平直翅片散热器如图1所示。它整个结构的参数主要有翅片厚度、高度、长度及基板长度、宽度和厚度，整个散热片的结构利用ANSYS仿真软件进行参数分析，进而实现散热器的结构总体设计。

将与空气进行接触的散热外表面统一设定为自然对流，并规定对应的对流系数设为7.5W/（m2•K），工作环境温度设定为40℃，便可保证通常情况下大功率LED灯在温度在低于75℃安全工作。由于灯罩是处于密封状态的，模型中的其他表面便定义为绝热体。选用ZL104铝合金作为大功率LED灯散热器的主要设计材料，它的导热率达到147W/m，其密度可达2650kg/m3，处于常规压力且表面是粗糙度高的情况下，选取两者之间的接触热阻为4.55×10-4m2•K/W。综上述分析，满足设计要求。

2、设计优化散热器

350mA、700mA、1A都是大功率型LED驱动电流，大功率加速荧光粉的老化，降低出光率，LED芯片内部的热量积聚，这些问题都大大缩减了散热器寿命。LED最大功率会受封装结构设计优化程度与LED芯片热沉材料热导率的高低等的影响。

2.1LED灯具散热设计方法的选择

LED散热设计通常选用流体动力学软件仿真，流体的固体边界和黏性对流体流动的阻力所产生的影响，使流动中的流体受到局部和沿程阻力的干扰，对此，LED散热器的设计科采用自然散热的方式，实际需求外轮廓图可按照相关约束条件进行设计；针对LED灯具散热器的散热器基板厚度、散热齿间距、散热齿形状、散热齿厚度等，按照散热器相关设计准则进行优化设计；最后进行校验。

2.2自然冷却散热器设计

考虑到自然冷却时边界层温度较厚等情况，若齿之间距离过小，就容易交叉各自的热边界，会干扰到齿表面的对流。一般情况下，自然冷却散热器间距超过12mm，如果散热器齿低于10min，散热器齿间距则应按照齿间距离超过1.2倍齿高的原则决定。发黑处理自然冷散热器是为了增强辐射换热，同时增加散热器表面辐射系数。要想散热器能承载瞬时热负荷，其基板和齿厚应确保超过5mm的厚度。

3、PCB板加散热片

在LED芯片电路PCB板的背面附着散热片（如图2所示），如铝板冲压件等，适用于实际计算结温超出理论设计上限结温的情况。图2中，231为正对于空心柱的散热鳍片；232为非正对于空心柱的散热鳍片；25为空心柱；252为外侧壁。空心柱的四面外侧壁均对应一朝外发散的辐射区域，每个辐射区域所在的散热鳍片垂直于该区域所对应的外侧壁，散热鳍片与空心柱有一距离且在空心柱的外围形成“井”字形通道，底座是一体成型的。本散热结构的LED灯，一圈散热鳍片能够前后左右互通，其通风效果好，进一步提高了散热性能。（见图2）

例如，一旦发生该情况，在实际计算结温为103℃的PCB背后附着一块10℃／w热阻的散热片，那么实际计算结温可控制在90℃以下，确保、延长了大功率LED灯具使用寿命。以灯具总热阻和总体散热为前提来设计大功率LED整体散热方案，要尽量降低总热阻，需要降低各种不同介质自身热阻、选用的导热胶还应具有很高导热性、以及改变结合导热胶的各种介质的界面热阻。

图2

4、结语

本文着手大功率LED散热问题，通过对大功率LED灯具散热结构分析，将其结构设计进行优化，优质了大功率LED灯具照明，有效改善散热，将LED光源芯片所产生的热量迅速散发，实现了其经济效益的提升。

参考文献：

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