巧用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化大功率LED平板燈的散熱

黃文升

（廣州市珠江燈光科技有限公司，廣東 廣州 511442）

巧用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化大功率LED平板燈的散熱

黃文升

（廣州市珠江燈光科技有限公司，廣東 廣州 511442）

散熱問題是影響LED燈具性能和壽命的一個(gè)重要方面。本文介紹一種新型的LED影視平板柔光燈散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使LED燈具的散熱達(dá)到了比較好的效果。

散熱；LED；舞臺(tái)影視照明；燈具設(shè)計(jì)

引言

自從上世紀(jì)末白光LED誕生以來，LED照明技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。目前LED照明在城市景觀、LCD背光板、交通標(biāo)志、汽車尾燈照明和廣告招牌等方面有著廣泛的應(yīng)用。

在舞臺(tái)影視照明領(lǐng)域，LED光源憑借其光效高、能耗低、壽命長(zhǎng)、無污染等眾多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也顯示出超強(qiáng)的魅力。2003年，LED PAR燈在國(guó)內(nèi)演藝設(shè)備行業(yè)首次亮相，標(biāo)志著LED燈具作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，開始走入舞臺(tái)影視照明領(lǐng)域。隨著LED PAR燈在電視演播室的使用，各種各樣的LED影視舞臺(tái)燈具也迅速發(fā)展起來。2008年北京奧運(yùn)會(huì)開閉幕式使用了大量的LED產(chǎn)品，LED燈具大放異彩。當(dāng)今，LED燈具已經(jīng)在舞臺(tái)演出和影視照明領(lǐng)域不斷前進(jìn)，其取代傳統(tǒng)光源燈具的趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)。

1 散熱性能對(duì)LED燈具的重要影響

LED是固態(tài)光源，發(fā)光芯片面積小，工作時(shí)通過芯片的電流密度大；而單顆LED芯片的功率比較小，所輸出的光通量也較低，所以，在實(shí)際應(yīng)用到照明設(shè)備時(shí)大多燈具要求由多顆LED光源組合而成，從而使得LED芯片密集度較大。又因?yàn)長(zhǎng)ED光源的光電轉(zhuǎn)換率不高，大約只有15%～35%左右電能轉(zhuǎn)為光輸出，其余均轉(zhuǎn)換成為熱能，因此當(dāng)大量LED光源集中工作時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生大量的熱能。如果不能使這些熱量盡快有效地耗散，會(huì)致使LED光源結(jié)溫上升，減少芯片出射的光子，使色溫質(zhì)量下降，加快芯片老化，縮短器件壽命。因此，對(duì)LED燈具散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)就變得異常關(guān)鍵。

就LED光源而言，LED芯片與LED基板之間以及LED基板和散熱器之間采用熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行散熱，散熱器和大氣環(huán)境之間采用熱對(duì)流的方式進(jìn)行散熱。LED光源熱量的75%是通過熱傳導(dǎo)的方式發(fā)出，基本不用考慮熱輻射的散熱情況。為了較好地控制LED的結(jié)溫，良好的散熱設(shè)計(jì)主要是從以下兩方面考慮：一是改善LED發(fā)光器件的內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)，提高發(fā)熱芯片向基板傳導(dǎo)熱量的能力；二是提高外殼向外界散熱的能力。

影視照明燈具是專業(yè)照明領(lǐng)域里要求比較高的一種燈具，其要求燈具在使用過程中不能出現(xiàn)色溫漂移的現(xiàn)象，而且有很高的噪聲要求。這就要求LED燈具設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮燈具的散熱：只有具有良好的散熱性能，才能保障LED芯片溫度在恒定的范圍內(nèi)，而不至于在使用過程中產(chǎn)生色溫漂移；在足夠散熱的條件下盡量減少散熱噪聲，最好是實(shí)現(xiàn)沒有噪聲的散熱。

2 一種新型的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廣州市珠江燈光科技有限公司新近推出了一款具有自主專利的LED影視平板柔光燈（如圖1）。這款燈采用自然散熱方式，不產(chǎn)生任何噪聲，很好地滿足了影視照明燈具的噪聲要求。在散熱結(jié)構(gòu)方面，采用了一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使LED的熱量很好地通過空氣對(duì)流散發(fā)到空氣中，保證了LED能夠在安全的溫度范圍內(nèi)工作，從而確保燈具在使用過程中，不會(huì)因?yàn)闇囟冗^高而產(chǎn)生色溫漂移和亮度衰減的問題。

2.1 結(jié)構(gòu)

先看這款燈具散熱部分的結(jié)構(gòu)（如圖2）：

從結(jié)構(gòu)上看，光源部分采用16顆集成式LED光源，分成3組安裝在凸起來的傳熱面上，每組之間就有一條整體的凹槽。在凹槽底部就是散熱器的支撐板，支撐板把散熱器分隔為兩個(gè)區(qū)域：前面的LED光源安裝區(qū)域和后面的散熱片區(qū)域。同時(shí)，在凸起部位的兩側(cè)各留出一排缺口，切開散熱器其中的一邊看看缺口的位置（如圖3）。還有就是從正面圖看到中間凸起部位還有一排通孔。

圖1 珠江燈光LED平板柔光燈

圖2 燈具散熱部分結(jié)構(gòu)

圖3 散熱器剖開后

2.2 設(shè)計(jì)原理剖析

從圖3可以看到，缺口和通孔都是連通前后兩個(gè)區(qū)域的作用。

此散熱系統(tǒng)中，LED的基板是燈具散熱系統(tǒng)的傳熱載體，也是筆者能夠接觸到的最熱的部位。從LED芯片傳到基板上的熱量，大部分通過散熱器傳導(dǎo)到散熱片上擴(kuò)散到空氣中，而在基板周圍的空氣受到高溫基板的影響，溫度也迅速上升。后面區(qū)域的溫度是通過基板傳導(dǎo)到散熱片上的熱量而上升的，所以其溫度上升要比前面區(qū)域慢。這樣，就導(dǎo)致以支撐板為分隔的前后兩個(gè)區(qū)域存在溫度差，而缺口和通孔就是連通這兩個(gè)有溫差的區(qū)域的。根據(jù)空氣流通的原理，當(dāng)兩個(gè)區(qū)域存在溫差時(shí)，就會(huì)通過這些缺口和通孔進(jìn)行冷熱空氣交換，這樣就靠自身的結(jié)構(gòu)讓空氣流動(dòng)起來（如圖4）。前面提到的凹槽就是為了使空氣能夠在LED周圍形成循環(huán)流動(dòng)的風(fēng)道，讓空氣流動(dòng)的范圍達(dá)到整個(gè)區(qū)域。

因?yàn)榍昂髢蓚€(gè)區(qū)域?qū)鱽淼臒崃看嬖跁r(shí)間差，所以在燈具使用的過程中，它們永遠(yuǎn)無法達(dá)到真正的熱平衡，會(huì)一直進(jìn)行冷熱空氣的流動(dòng)熱交換。因此這兩個(gè)區(qū)域的空氣流動(dòng)是永遠(yuǎn)不會(huì)停止的。

也是因?yàn)橛辛擞啦煌Ｖ沟臒峤粨Q空氣流動(dòng)，使得燈具的散熱效果大大提升。研發(fā)人員在設(shè)計(jì)過程中做了多種情況的溫度測(cè)試，最終結(jié)果就是現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)達(dá)到最好的散熱效果。在模擬的空氣冷熱交換流動(dòng)圖（如圖5）中可以看到，通孔起到了非常重要的作用。

圖4 散熱器剖面圖

圖5 空氣冷熱交換流動(dòng)模擬圖

表1 兩種結(jié)構(gòu)測(cè)試溫度對(duì)比

圖6 有缺口和通孔的結(jié)構(gòu)測(cè)試的溫度分布圖

圖7 封住缺口和通孔的結(jié)構(gòu)測(cè)試的溫度分布圖

2.3 測(cè)試

為了驗(yàn)證這種結(jié)構(gòu)的有效性，研發(fā)人員反復(fù)地做了一項(xiàng)對(duì)比測(cè)試：將兩組燈具，第一組是按照本文所述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，第二組是將所有的缺口和通孔都封起來，放在相同條件（溫度為31.5℃、濕度為55%、無風(fēng)扇）下的恒溫恒濕箱進(jìn)行測(cè)試，燈具熱平衡后，利用紅外測(cè)溫儀測(cè)量出兩組結(jié)構(gòu)的熱分布情況（儀器數(shù)據(jù)顯示見圖6、圖7）。從中可見，第二組的最高溫度點(diǎn)達(dá)到了55.7℃，而第一組的最高溫度點(diǎn)僅50.7℃。即第二組無論是最高溫度、平均溫度還是最低溫度，都比第一組高5℃左右。數(shù)據(jù)見表1。這個(gè)測(cè)試充分證明了此種散熱結(jié)構(gòu)的有效性。

從以上實(shí)例可以很清楚地看到，這款產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，充分考慮了空氣力學(xué)方面的相關(guān)特性，在結(jié)構(gòu)上巧妙地利用這些特性，使LED的散熱達(dá)到了比較好的效果，為以后同類LED燈具的散熱設(shè)計(jì)提供了很好的參考。

黃文升，汕頭大學(xué)機(jī)電系畢業(yè)，廣州市珠江燈光科技有限公司研發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理，工程師，主要從事LED舞臺(tái)照明產(chǎn)品的研發(fā)，特別對(duì)LED的光質(zhì)、光學(xué)、散熱及燈具系統(tǒng)集成方面研究多年，獲得多項(xiàng)專利。主導(dǎo)設(shè)計(jì)的《模塊化主題演藝系統(tǒng)集成技術(shù)研發(fā)及典型應(yīng)用——多媒體數(shù)字燈的研發(fā)與應(yīng)用》獲得文化部科技提升計(jì)劃項(xiàng)目專家驗(yàn)收通過。

（編輯 張冠華）

As Ingenious Use of Structural Design in Optimization of High Power LED Flat Light Heat Dissipation

HUANG Wen-sheng

（PR Lighting Ltd., Guangzhou Guangdong 511442, China）

Heat dissipation is an important problem of performance and life of LED light. In this paper a new type of heat dissipation structure design in LED video tablet soft light was introduced, so as to lead in better effect of LED light heat dissipation.

heat dissipation; LED; stage film and television lighting; lighting design

10.3969/j.issn.1674-8239.2014.11.002