LED燈散熱器研究與開(kāi)發(fā)

藍(lán)振善

摘 要：LED燈與傳統(tǒng)照明燈相比具有使用壽命長(zhǎng)，節(jié)能，光效高等優(yōu)點(diǎn)，近幾年來(lái)越來(lái)越多應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，如：路燈、工礦燈、景觀燈、室內(nèi)照明等，從2013到2016年LED行業(yè)出口額總體呈增長(zhǎng)狀態(tài)， 但是LED芯片發(fā)熱量非常大，當(dāng)溫升達(dá)到一定程度，就會(huì)影響燈具的壽命及光效，實(shí)際中LED總的電光轉(zhuǎn)換效率約為30﹪，剩余的70%電能將以熱能的形式釋放，LED燈具熱量上升直接影響有：發(fā)光效率，主波長(zhǎng)不穩(wěn)定，色溫偏低，正向電壓降低，反電流增大，材料劣化等等，因此設(shè)計(jì)一款LED燈，首先要考慮它的散熱問(wèn)題，選用或設(shè)計(jì)良好的散熱器至關(guān)重要。

關(guān)健詞：LED燈、發(fā)熱量 、電光轉(zhuǎn)換效率、散熱器

一、熱運(yùn)動(dòng)的幾種方式

熱運(yùn)動(dòng)方式主要以：熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流，熱輻射。

（一）熱傳導(dǎo)

溫度不同的物體各部分之間或溫度不同的各物體之間直接接觸時(shí)，依靠分子、原子即自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行熱量傳遞的現(xiàn)象

（二）熱對(duì)流

由系統(tǒng)內(nèi)流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象稱為熱對(duì)流。

（三）熱幅射：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，熱量以電磁波形式傳遞

（熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流需要借助介質(zhì)進(jìn)行散熱，而熱輻射則不用，如真空）。

對(duì)于高功率LED，短時(shí)間運(yùn)行其最高允許結(jié)溫為125℃，而長(zhǎng)期使用結(jié)溫不允許超過(guò)110℃，對(duì)于低功率LED，其最高允許結(jié)溫為80℃。

散熱器設(shè)計(jì)中我們通常考慮幾個(gè)方面：導(dǎo)熱材料，傳導(dǎo)介質(zhì)，熱能位置，吸熱界面，熱流方向，環(huán)境溫度等等。

將光源或光源鋁基板緊貼著散熱器并固定，利用散熱器將熱量散到周圍空間，必要時(shí)再加上散熱風(fēng)扇，以一定的風(fēng)速加強(qiáng)冷卻散熱（風(fēng)冷），在某 些大型設(shè)備的功率器件上還采用流動(dòng)冷水冷卻板（水冷），它有更好的散熱效果。在自然狀態(tài)下冷卻和在風(fēng)扇加強(qiáng)對(duì)流狀態(tài)下冷卻有一定區(qū)別，這兩種冷卻方式的散熱片設(shè)計(jì)要區(qū)分設(shè)計(jì)，一種稱為自然冷卻散熱片設(shè)計(jì)，若加風(fēng)扇則是強(qiáng)制對(duì)流散熱片設(shè)計(jì)。

二、自然冷卻散熱器的設(shè)計(jì)

選擇散熱器的材料，一般是選擇鋁材，金、銀、銅、的散熱效果比鋁好，但價(jià)格承受不了，采用性價(jià)比最好的鋁材是6063，傳導(dǎo)率如表1。

目前用來(lái)制造散熱器的工藝主要有：擠壓成型、鑄造、鍛造、機(jī)械加工等，根據(jù)不同需要，散熱器可以采用不同的成型方式，目前市場(chǎng)上的散熱器：用以上幾種工藝制造的都有。

（一）散熱器的尺寸設(shè)計(jì)

1、散熱器截面尺寸的初步設(shè)計(jì)。先根據(jù)結(jié)構(gòu)要求、芯片功率、散熱面積要求做初步的尺寸設(shè)計(jì)，確定大體尺寸，盡可能增加散熱器散熱面積，從經(jīng)濟(jì)上面和實(shí)用性方面考慮，要盡可能減少散熱器的重量，然后再就散熱片的細(xì)部如鰭片及底部尺寸做詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2、散熱片子底部鋁材厚度尺寸的優(yōu)化。散熱器的整體熱阻就是由與LED模塊的接觸面開(kāi)始逐層累計(jì)而來(lái)，吸熱底內(nèi)部的熱傳導(dǎo)阻抗是其中不可忽視的一部分。為了將吸收的熱量有效地傳導(dǎo)到盡量多的鰭片上，因此還需要吸熱底有較好的橫向熱傳導(dǎo)能力，我們?cè)谠O(shè)計(jì)燈具時(shí)首先滿足吸熱底有足夠的厚度，良好的底部厚度設(shè)計(jì)必須由熱源部分厚而向邊緣部份變薄，如此可使散熱片由熱源部份吸收足夠的熱向周圍較薄的部份迅速傳遞，因?yàn)楹穸忍螅狍w會(huì)變的比較重，性價(jià)比低，一般厚度不大于10個(gè)毫米，除非特殊要求散熱器。

3、鰭片間距、厚度、高度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。考慮到自然冷卻時(shí)溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個(gè)齒的熱邊界層易交叉，影響齒表面的對(duì)流，所以一般情況下，對(duì)于大功率散熱器，建議散熱器齒間距大于12mm，高度盡可能高，目前國(guó)際上先進(jìn)的擠壓設(shè)備及工藝已能夠達(dá)到23的高寬比，國(guó)內(nèi)少部分廠家目前高寬比也可以做到20 ， 如果散熱器齒高低于10mm，可按齒間距≥1.5倍齒高來(lái)確定散熱器的齒間距。

當(dāng)鰭片的形狀固定，厚度及高度的平衡變得很重要，特別是鰭片厚度薄高的情況，會(huì)造成前端傳熱的困難，鰭片厚度厚高的情況，又不經(jīng)濟(jì)，使得散熱片即使體積增加也無(wú)法增加效率，

以下為鰭片形狀參考值，斜角一般0～3度，為增中散熱面積，可以在鰭片上面增加一結(jié)散熱齒，對(duì)散熱器的溫升一般能夠減少一些，但不是非常明顯。

以下為散熱片設(shè)計(jì)的厚度、間距、高度的配比參考值：

（二）散熱片表面處理

常見(jiàn)的后處理方法：1、烤漆：噴漆后進(jìn)烘房加溫干燥工藝；2、電泳：2電泳涂料在陰陽(yáng)兩極， 施加于電壓作用下， 帶電荷的涂料離子移動(dòng)到陰極， 并與陰極表面所產(chǎn)生的堿性物質(zhì)作用形成不溶解物， 沉積于工件表面的過(guò)程；3、電鍍：電鍍就是利用電解的方式使金屬或合金沉積在工件表面，以形成均勻、致密、結(jié)合力良好的金屬層的過(guò)程；4、噴塑：將塑料粉末噴涂在零件上的一種表面處理方法；5、陽(yáng)極：將金屬或合金的制件作為陽(yáng)極，采用電解的方法使其表面形成氧化物薄膜。

散熱片表面做陽(yáng)極處理可以增加輻射性能而增加散熱片的散熱效能，也可以根據(jù)其它需求選擇以上不同工藝。

三、強(qiáng)制對(duì)流散熱片設(shè)計(jì)

1、增加空氣流速這個(gè)是很直接的方法，可以配合風(fēng)速高的風(fēng)扇來(lái)達(dá)成目的，對(duì)于采用風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流的設(shè)計(jì)，首先要構(gòu)建一個(gè)基本封閉式環(huán)境，除了排風(fēng)通道，進(jìn)氣口，風(fēng)扇排氣孔，其它地方要成封閉狀態(tài)或者基本封閉狀態(tài)。散熱源產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到散熱體后，通過(guò)風(fēng)扇能夠及時(shí)將熱量排出去。一般用風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流散熱，會(huì)比自然冷卻方式效果會(huì)好很多，溫升至少會(huì)比自然冷卻方式小50%，當(dāng)然在采用風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流散熱的方式，要考慮的因素也很多：風(fēng)扇的壽命、成本、安裝方式，散熱鰭片的設(shè)計(jì)間距可以稍微小點(diǎn)，在散熱鰭片上面增加細(xì)齒，增加散熱面積，也可以更加有效地散熱。

2、平板型鰭片做橫切將平板鰭片切成多個(gè)短的部分，這樣雖然會(huì)減少散熱片面積，但是卻增加了熱傳導(dǎo)系數(shù)。

四、用散熱分板軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的散熱片進(jìn)行模擬

用散熱分析軟件能夠模擬出散熱器在工作狀態(tài)的表面溫度，從而驗(yàn)證溫升是否達(dá)到要求，用的比較多的熱仿真軟件有：FloTHERM、FloEFD、Icepak，一款散熱器設(shè)計(jì)好后，最好都要用散熱軟件進(jìn)行溫升模擬，可以提高效率，節(jié)省成本，用散熱軟件進(jìn)行溫升模擬，等涉及到一些軟件內(nèi)一些參數(shù)的設(shè)置：

1、LED模型的簡(jiǎn)化；2、鋁基板導(dǎo)熱硅脂的熱阻設(shè)置；3、led芯片的發(fā)熱功率的確定（一般理論值70%）；4、鋁基板的設(shè)置；5、各表面處理方式的輻射氧化參數(shù)；6、網(wǎng)格的優(yōu)化；7、電源功率的確定；8、散熱仿真的報(bào)告格式。

五、結(jié)語(yǔ)

一款LED燈，他的質(zhì)量和壽命對(duì)它的價(jià)格起到?jīng)Q定作用，一些國(guó)外商戶在選擇我們國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品時(shí)，對(duì)于芯片的溫升有著嚴(yán)格的規(guī)定，而光源芯片熱量能夠有效地排出去，它的散熱片設(shè)計(jì)非常重要，好的散熱片：重量輕、散熱快、功率可以做的很大，整個(gè)燈的性價(jià)比非常高，在出口競(jìng)爭(zhēng)中能夠占有決對(duì)的優(yōu)勢(shì)，因些對(duì)散熱片進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、計(jì)算，及用散熱分板軟件對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，是非常有必要的，是LED燈設(shè)計(jì)的核心部分，要加強(qiáng)重視。

參考文獻(xiàn)：

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