大功率LED燈的散熱性能分析

喬繼剛

摘 要：LED燈具有節能環保等優點，發展迅速，市場占有率明顯提高，但LED燈在實際工作中會產生大量的熱量，特別是大功率LED燈散熱尤為必要，如果不能很好的散出容易導致光源衰退。因此本文結合大功率LED燈的運行情況和性能，分析LED燈的散熱性能。

關鍵詞：大功率LED等;散熱;性能分析

LED燈具有節能環保等特點，但實際運行過程中容易產生大量的熱量，一旦熱量無法排出，容易出現溫度過高導致芯片熱量異常，光源衰退和燈具壽命減少等情況。[1]簡單來說，LED燈熱管理結構主要是芯片級封、封裝級和系統集成散熱級，本文從LED燈的散熱性能影響因素入手分析，提出具體優化的方案。

1 大功率LED燈散熱性能影響因素

1.1 翅片幾何參數

一般來說，大功率LED等的翅片參數變化會直接影響到散熱性能，呈現正相關性。在達到額定數值之前，大功率LED燈具的翅片厚度、高度、間距、數量、長度的增加都會引發散熱效率的提升，而且從戴紹碧;王嬌琳;王倩等人在《大功率LED燈熱管散熱器性能研究》[2]一文中也得到了類似的結論，上表層一翅片散熱效果明顯低于四側面翅片撒熱效果。

1.2 外界溫度的影響

大功率LED燈工作過程中會出現大量的熱量，這些熱量需要及時排出，因此外界的溫度與大功率LED燈溫度差距較大時，容易排出熱量，反之當外界溫度與大功率LED燈溫度差距不大時，會影響LED燈的散熱情況，這種溫度影響是有限的，但對于LED等最優散熱效率是有很大的影響的。

1.3 LED燈的散熱材料

大功率LED等散熱材料的選擇對散熱影響比較明顯，一般在自然狀態下，采用性能好、導熱好的材料進行散熱，LED等的散熱效率會更高，而對于熱輻射散熱的方式則需要選擇專門的材料。

2 大功率LED燈散熱性能分析和優化方案

2.1 散熱結構優化

大功率LED燈散熱結構的優化首先要對翅片結構進行優化，根據仿真模型的數據和結果，翅片高度、長度進行分析，一般來說，大功率LED燈的瓷片高度通常是在0.05-0.11m范圍內，這個范圍內的散熱性能最好，在0.05-0.11m范圍內還可以進一步的劃分，通常來說，在0.071-0.11m的范圍內，當翅片高度達到這一高度以后，芯片溫度則趨于平緩，而在0.05-0.07m范圍內，當翅片高度在這一范圍內時，芯片溫度波動比較大，因此應控制翅片的高度范圍，以獲取更高的芯片散熱性能。此外在翅片長度方面，在0.03-0.12m范圍內最適宜，這也是當前大功率LED等翅片長度的首選。另一方面，缺口、通孔是LED燈的光源區連接通道，而LED基板是整個燈具中溫度最高的地方，這說明，LED燈的熱傳播通道是由芯片出發，到缺口、通孔再到基板，而對于其他的多余的熱量，主要是通過散熱片通道進行刪除，這樣一來，可以根據大功率LED燈的具體情況，通過改造LED燈內部結構和模塊，尋找和測量最優化的方案，實現熱分布的數據統計，從而根據實際情況制定缺口、通孔的參數，而對于翅片的數量，一般是按照12-16片進行設置，主要是翅片散熱最高值進行計算，通過翅片組合和間距設置的方式提升散熱最高值，一次來實現翅片散熱的高性能。

2.2 材料選擇

LED燈材料選擇非常重要，要根據大功率LED燈的工作環境和散熱需求進行分析，不斷拓展新型高性能的散熱材料。[3]目前，大功率LED燈的散熱材料主要是以銀、鋁、鋁合金為主，其他新型材料為輔的。首先傳統的銀、鋁、鋁合金等材料性價比比較高，因此市場應用較為廣泛，傳統的散熱材料主要是存在導熱系數的差異性，導熱系數與散熱傳導效率呈現正相關性。按照導熱系數排雷，銀的導熱系數最高，決定了其可以有效降低表層熱阻，提高整體的導熱效率，但從成本來看，銀的采購成本比較高，而從其性能來看，銀的柔韌性不足，硬度不夠，因此目前，鋁、鋁合金和銅是大功率LED的主要材料，現有LED通常采用鋁作為散熱主要材料，適當會增加一些銅，性價比比較高。此外，近些年LED散熱新材料的發展也在不斷提高，新型散熱材料也取得了非常大的進步，進一步拓展了LED燈在不同工作環境的應用，如適應于高溫低壓的MAP-05散熱材料就是一種很好的發展方向。此外隨著電子設備的發展和大功率LED燈工作環境的變化，散熱材料的性能、形狀不斷推陳出新，取得了非常大的進步。

2.3 性能優化

大功率LED燈在設計和生產前必須要對性能進行優化，要做好溫度實驗和數據統計，從而設計出在不同工作場景中性能最優化的產品。在測試過程中，大功率LED燈的性能優化必須要根據工作性能對測試環境、設備等進行設定，通過仿真試驗的方式找出最優方案，在試驗過程中要保持溫度的恒定，模擬最佳狀態下LED燈的優化結果，從而對性能進行調整，通過材料和結構的調整實現性能的最優化。目前大功率LED燈在設計時都會進行溫度試驗，以測試LED燈的具體性能，當然試驗的結果會有一定的偏差，但總體數據分布規律相差不大，如果數據分布規律相差比較大，則需要反思在仿真模擬中是否出現了其他的問題，如溫度未恒定，電壓線不穩等情況。

3 總結

大功率LED燈的散熱性能主要通過散熱結構優化和散熱材料來完成。LED燈在設計過程中必須要考慮具體的工作環境，選擇最優的散熱材料，同時做好仿真實驗，調整LED燈的結構，確保LED燈散熱的高性能。

參考文獻：

[1]曾傳銳，陳繼榕，吳趙平.大功率LED燈散熱設計技術[J].中國新技術新產品，2018（05）：33-34.

[2]戴紹碧，王嬌琳，王倩.大功率LED燈熱管散熱器性能研究[J].制冷與空調（四川），2017（10）：126-127.

[3]侯亭波.微通道里流速分布對大功率LED散熱性能的模擬分析[J].化學工程與裝備，2017（11）：76-77.