大功率LED燈散熱器結構設計

潘裕+向文江

摘 要：針對大功率LED燈工作時散熱性差、燈具光功率減小、燈芯片易老化等問題，對大功率LED燈的散熱器結構進行研究。詳細介紹了LED燈散熱技術、燈具的熱分析及散熱片的優化設計，并就LED燈散熱問題在ANSYS軟件中搭建模型進行散熱器結構參數設計與熱分析。仿真結果表明，通過熱分析實現對LED燈散熱結構參數設計，理論上在大功率LED燈中安裝優化設計后的散熱片可以很好的解決燈具工作時的散熱問題。

關鍵詞：大功率LED燈；熱分析；ANSYS軟件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.005

0 引言

發光二極管（Light Emitting Diode，LED）屬于21世紀具有好的發展前景的新型冷光源[1]。LED燈的發光原理理就是靠是靠發光二極管內部的PN結里的電子在能帶間躍遷進而產生光能，但芯片會出現發熱的現象，尤其是大功率型LED。若將多個LED串并聯組裝成一個模組，其散發出的熱量會大大增加。目前，LED整體工作效能不是很好，只有15%-20%的電能量成功轉化為光能，而剩余的80%-85%的電能量則通過其它形式轉化為熱能，致使芯片功率密度變得很大。在行業內LED器件的散熱性整體而言較差，首先，因為發白光的LED燈其發光的光譜中并不包含紅外部分，即其工作時產生的熱量不能依靠紅外輻射進行釋放；其次，LED燈具本身的擴散熱阻與解除熱阻很大，工作時產生熱量較多。在LED燈工作時，若散熱性不好將會產生十分嚴重的后果[2]，如縮減LED燈的光能量輸出，減少器件的使用壽命，會造成LED發射光的主波長產生偏移等。

近年來，如何使LED燈工作時產生的熱能以最快的方式散發出去這一關鍵問題被國內外學術界關注，進而相對應地進行各種研究。由于LED燈具多采用經驗化設計進行散熱，散熱裝置過于傳統且專業性不高，導致當前LED燈具的散熱問題仍未得到解決。因而，通過對大功率LED燈具的熱分析與熱設計后進行散熱器的結構設計具有及其重要的現實意義。

論文詳細介紹了LED燈的散熱技術并建立相應散熱器模型，然后選取了一款大功率的LED燈作為論文的研究模型，利用ANSYS有限元分析軟件[3]對該款LED燈模型進行熱分析，得到燈具各點的溫度分布與芯片工作時產生的最高溫度，在上述測量數據的基礎上對該燈的散熱結構進行優化設計，最終得到十分滿意的散熱效果。

1 LED燈散熱技術及模型建立

1.1 LED燈散熱技術

對大功率LED燈進行散熱的主要技術有散熱片、熱管、均溫板、輻射涂覆層、導熱膏、導熱墊片等[4-6]。其中，散熱片是選用擴大表面積的方式將熱對流逐漸散發到環境里，干擾散熱片其散熱性能的相關因素主要有散熱片的形狀、翅片的相對數量、各間距、設計的尺寸大小、安裝的傾斜角度、制作材料以及生產加工工藝等。論文里所選用的燈具模型在工作時就選用散熱片進行熱量驅散。熱管則是利用冷凝液對應的循環變化，將LED燈工作時產生的高熱量疏導出并散發去。通常情況下，散熱片會與熱管的冷端結合使用，用來實現更好熱量驅散效果。均溫板與熱管的制作及使用原理相似，只是熱管屬于單向的一維傳熱形式，而均溫板采用面傳熱，整體設計為二維性，令散熱器表面接受溫度均勻。輻射涂覆層是用于散熱器的外表面進行涂覆進行散熱的涂料，目的是為了提高整體輻射率，使產生的熱能有效的驅散輻射出去。而導熱膏與導熱墊片則是通過減小接觸的熱阻進行散熱。

論文采用翅片作為大功率LED燈散熱器結構設計的主要器件，它是一種十分有效的增強換熱表面的設計方法。它可以令產生的熱流量沿著肋高度的對應方向進行傳導，并同時向周邊環境進行以對流或者對流疊加輻射的方法進行熱量驅散。其散熱的表面積越大，驅散熱量效果越佳，但并不構成簡單的比例關系運算。

1.2 LED燈散熱器模型建立

論文初步設計采用平直翅片散熱器如圖1所示。它整個結構的參數主要有翅片厚度、高度、長度及基板長度、寬度和厚度，整個散熱片的結構利用ANSYS仿真軟件進行參數分析，進而實現散熱器的結構總體設計。

將與空氣進行接觸的散熱外表面統一設定為自然對流，并規定對應的對流系數設為7. 5W / （ m2· K ），工作環境溫度設定為40℃，便可保證通常情況下大功率LED燈在溫度在低于75℃ 安全工作。由于燈罩是處于密封狀態的，模型中的其他表面便定義為絕熱體。選用ZL104鋁合金作為大功率LED燈散熱器的主要設計材料，它的導熱率達到147W /m ，其密度可達2 650 kg /m3，處于常規壓力且表面是粗糙度高的情況下，選取兩者之間的接觸熱阻為4. 55 ×10-4m2· K /W 。綜上述分析，滿足設計要求。

2 大功率 LED燈的熱分析

論文采用一款大功率LED燈為實驗模型進行研究，運用ANSYS仿真軟件對該套燈具的產生的熱量進行熱仿真分析。

2.1 燈具熱網絡模型

論文根據燈具結構，特選用芯片—銀膠—銅熱沉—導熱硅膠—線路板—導熱硅膠—散熱片—環境作為主要散熱途徑，即LED燈產生的熱量通過熱沉、導熱硅膠、線路板、導熱硅膠傳導到散熱片上，再由散熱片經對流方式驅散熱量到空氣中。依據上述分析的主要散熱途徑進行模型簡化設計：先將LED燈珠通過透鏡簡化成長方體進而減少計算量；再將發熱芯片和熱沉之間的銀膠簡化成0.1 mm左右的薄板；最后將燈珠與散熱片間的傳導熱硅膠進行簡化成0.3 mm的薄板。簡化后的硬件結構見圖2，其燈熱總體網絡圖見圖3。

2.2 LED燈具熱分析

根據燈具的實際使用場合和具體工作情況進行熱分析的邊界條件確定如下：

（1）每個LED燈功率為15 W，其發光的工作效率為20%，所以每個LED燈產生熱量的功率達到12W，即將每個source 的total heat 定義為12 W。endprint

（2）該燈具為隧道中的道路照明燈，最高溫度低于100℃，不必考慮太陽能的輻射。

（3）實際使用過程中，該燈具安裝在外界空氣流通的環境中，處于自然對流的情況，所以定義安裝箱體的6個面均屬于開環，并設定工作環境溫度為25 ℃。

本研究參考了實驗結果及相關制作材料手冊，最終確定各項材料的特性如表1 所示。

最后，對燈具進行網格劃分并進行穩態計算后得到燈具的整體溫度分布結果如圖4所示。在圖4中，可清晰的看出LED燈燈芯處溫度最高溫度高達76.23 ℃，要綜合考慮環境因素帶來的誤差，該點的溫度極有可能超過80 ℃，可見，該LED燈具當前的散熱效果比較差，有必要進行散熱器的優化設計。經過熱分析得到該燈具溫度高的主要原因是：線路板各層間厚度大且熱量傳導性差，還有就是散熱層過多，導致導熱瓶頸，LED燈燈芯產生的熱量不能及時的導散出去。

3 散熱片優化設計

當前大功率LED燈均采用散熱片作為散熱器，散熱片的主要機理是利用大散熱面積實現對流散熱。對于散熱片本身結構來說，它的形狀、加工的工藝、設計尺寸及制作材料可決定其散熱的整體性能。論文主要對散熱片的設計尺寸進行優化設計。其主要尺寸包含翅片的厚度A、翅片的間距B、翅片的高度H 及散熱片底板的厚度C，如圖5所示。本例中設定A=2 mm，B=6 mm，H=40 mm，C=4 mm進行分析。

論文運用ANSYS仿真軟件采用參數化設計實現對隧道照明燈中散熱片的尺寸優化，具體優化流程如下：

（1）首先當H=40，C=4時，分別取A為1.5，2，2.5，3，B為4.5，5，5.5，6，對A、B相互組合便可到16組值，通過仿真計算可得16種情況下的結溫，并將同一A值下的結溫與B值的關系繪制成曲線，如圖6所示。

從圖6可以看到，對于相同的A值，4條曲線變化趨勢相似，基本隨著翅片間的間距增大而結溫先降低后升的趨勢，此外，從圖中還看出，當A=2，B=6時，結溫達到最低。

（2）當A=2，B=6，H=40的情況下，取C為3，4，5，6，7，8，9，得到C值與結溫的關系，繪制曲線圖如圖7所示。從圖7中曲線圖可以看出，隨著基板厚度上升，結溫先速降，隨之慢慢變得平緩，甚至有略微的升高趨勢，且在C為6時，達到結溫最小值。

（3）當A=2，B=6，C=6的情況下，分別取H值為30，40，50，60，70，80，90，得到H值與結溫的變化關系，繪制成曲線如圖8所示。從圖8中可看出，隨著翅片逐漸變高，結溫先急速下降，隨后緩緩變化，由此可得出，合理提升翅片高度可有效降低結溫。另外，當H=60時，翅片高度和結溫的選值達到最佳。則當A=2、B=6、C=6、H=60時散熱片的散熱效果達到最佳，該時刻結溫為70.97 ℃，比起優化前降低了大約5.35 ℃。由此可得，進行散熱片的優化設計效果很明顯。

4 結論

論文針對一款大功率LED燈進行了熱分析與散熱片的優化設計，并應用ANSYS仿真軟件對改進前后LED燈具進行溫度仿真分析。仿真結果表明，通過熱分析可實現對LED燈散熱結構參數設計，從理論上在大功率LED燈中安裝優化設計后的散熱片可以很好的解決燈具工作時的散熱問題。

參考文獻：

[1]鄭愛華.淺談LED發光原理[J].科技論壇，2010（11）.

[2]蘇達，王德苗.大功率LED散熱封裝技術研的新進展[J].電力電子技術，2007，10（41）：69-71.

[3]宋娥，李世國基于ANSYS的電熱產品熱場分析方法與應用[J].機械設計與制造，2005（10）：117-119.

[4]張琦，陳旭.LED路燈熱分析及散熱結構設計[J].電子與封裝2009，9（05）：44-48.

[5]李菊華.LED燈具熱設計與仿真[D].杭州：杭州電子科技大學，2011.

[6]賴艷華，魏露露，昌明新等.基于最小熵產法的大功率LED散熱器的結構優化[J].山東大學學報（工學版），2012，42（05）：118-122.

基金項目：本文系邵陽學院 研究生科研創新計劃項目 ，基于ANSYS車輛的LED燈散熱器的研究（CX2016SY018）

作者簡介：潘裕（1992-），男，湖南邵陽人，碩士研究生在讀，研究方向：裝用裝備設計與制造。endprint