LED路燈熱分析及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

陳偉宜

摘?要：LED是現(xiàn)階段被廣泛應(yīng)用的照明系統(tǒng)設(shè)備，屬于第四代照明光源。但是其在光電轉(zhuǎn)化過(guò)程當(dāng)中存在一定的缺點(diǎn)，轉(zhuǎn)化率比較低，大部分電能向熱能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，因此LED需要解決和提高散熱能力等問(wèn)題。對(duì)于大功率的LED來(lái)說(shuō)，要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，需要對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行解決，完善自身的關(guān)鍵技術(shù)。本文深入分析LED燈具特別是市場(chǎng)體量巨大的LED路燈的散熱相關(guān)問(wèn)題，具體從多個(gè)方面探討熱源在燈具中的產(chǎn)生和聚集的問(wèn)題，并從燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，深入探討和解決大功率LED路燈散熱的方法。

關(guān)鍵詞：LED路燈;散熱;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LED芯片由于光電轉(zhuǎn)化率不高，大部分進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)化，只有15%-20%的電能向光能進(jìn)行輸出，所以LED在工作過(guò)程當(dāng)中會(huì)產(chǎn)生很多熱量，如果不能及時(shí)耗散這些熱量，就會(huì)導(dǎo)致LED結(jié)溫上升，熱效應(yīng)明顯，芯片出射的光子也會(huì)減少，使色溫質(zhì)量下降，縮短期間壽命，也會(huì)加快芯片的老化。LED芯片的輸出效率也會(huì)出現(xiàn)增高，這就會(huì)涉及到光，電，色等其他一些問(wèn)題，造成其他問(wèn)題突出。所以，優(yōu)化設(shè)計(jì)整個(gè)燈具的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行熱分析是非常關(guān)鍵的。

1 LED發(fā)光電氣件設(shè)計(jì)分析和探討

基本上所有的LED燈具上的發(fā)光二極管都要通過(guò)PCB板作為載體，LED工作所產(chǎn)生的熱量最先是傳導(dǎo)到PCB板上的，就目前而言，鋁制線路板（鋁基板）是LED燈具中最被廣泛使用的PCB板;根據(jù)熱量傳遞的原理，熱量是從溫度高的物體傳遞到溫度低的物體上，因此在進(jìn)行LED發(fā)光電氣件設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，需要對(duì)結(jié)溫進(jìn)行良好的控制，需要考慮到散熱設(shè)計(jì)方面問(wèn)題，首先需要充分了解鋁基板如何設(shè)計(jì)能更有利于LED的散熱。第一，LED排布越緊密（LED之間的間距小）熱源越集中，中心LED的溫度就越高，在條件允許的情況下，LED盡量分散布置，為L(zhǎng)ED周邊提供更多空間的相對(duì)低溫的介質(zhì)，有利于將發(fā)射的熱量更快向外殼進(jìn)行傳遞;其次，鋁基板上面的銅箔（電路）也是可以直觀傳導(dǎo)熱量重要一環(huán)，純銅金屬的導(dǎo)熱系數(shù)為381W/（m·K），僅次于純銀金屬，LED是焊接于銅箔之上的，與銅箔這個(gè)載體是唯一接觸的，熱量最先到達(dá)銅箔層，因此滿足介電性能和爬電距離的情況下，銅箔設(shè)計(jì)面積覆蓋越大越好（銅箔增加基本上不影響鋁基板的價(jià)格），可以讓熱量更快的傳導(dǎo)到鋁基板溫度低的位置，是的整片鋁基板更佳的均勻;最后，相同總功率下，LED顆數(shù)也是影響節(jié)溫的一個(gè)比較重要的因素，單顆LED功率最直觀的顯現(xiàn)在于工作時(shí)電流大小，根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt，也就說(shuō)明，工作電流越小，LED產(chǎn)生的熱量是成平方量級(jí)遞減，LED工作的溫度也就越低。本文通過(guò)利用相關(guān)軟件分析某公司LED路燈結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行熱分析以及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)踐對(duì)比。對(duì)不同的鋁基板設(shè)計(jì)在相同的LED路燈結(jié)構(gòu)情況下工作時(shí)的溫度常變化情況進(jìn)行模擬分析（圖一、圖二），最終得到良好的優(yōu)化的鋁基板發(fā)光器件的設(shè)計(jì)，確保散熱效果能夠滿足要求，并達(dá)到控制成本，減少散熱器用料等方面的目的。

2 LED路燈燈具散熱問(wèn)題分析

LED路燈作為所有燈具體量最大的燈具之一，與交通出行息息相關(guān)，對(duì)于路燈來(lái)說(shuō)，除了機(jī)械性能與防護(hù)性能外，最重要的當(dāng)屬燈具的熱性能了，接下來(lái)將著重探討路燈的使用環(huán)境以及環(huán)境對(duì)路燈熱性能的影響，LED路燈一般使用于戶外6米至15米的高空中，可以相應(yīng)的理解到，在這種高度的環(huán)境下，空氣對(duì)流是相對(duì)比地面環(huán)境強(qiáng)的，因此要充分的利用空氣對(duì)流對(duì)LED路燈散熱的輔助作用，目前LED路燈的主要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在兩個(gè)不同的方式;一體式主體散熱殼體和模組外包殼體兩種，這兩種方式，都要考慮到空氣對(duì)流的主要方向?yàn)檠伛R路方向，同時(shí)熱氣流密度本身就比外界冷空氣低，因此熱氣流散發(fā)都為豎直向上的方向，綜上從外部環(huán)境影響上就要充分考慮燈具上的散熱器鰭片布置方向和對(duì)流透氣通孔位置的設(shè)計(jì)了。

LED路燈散熱主要通過(guò)傳導(dǎo)，輻射以及對(duì)流散熱這三種途徑進(jìn)行。這三種方式具有不同的使用環(huán)境和效果，在進(jìn)行LED燈具散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，需要充分考慮到上述的使用環(huán)境和自身的熱原理，根據(jù)該環(huán)境選出合理的散熱方式，最終確定燈具的散熱結(jié)構(gòu)，只有這樣才能夠設(shè)計(jì)出良好的LED路燈。但由于一些商家為了吸引顧客，更多地注重外觀設(shè)計(jì)，從而忽略了最基本的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，單單純通過(guò)增加散熱面積來(lái)解決散熱問(wèn)題。再加上使用者往往不會(huì)特別重視這一問(wèn)題，所以造成LED燈具結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計(jì)過(guò)程會(huì)存在一些問(wèn)題。現(xiàn)階段，LED路燈燈具結(jié)構(gòu)和工藝讓人眼花繚亂，具有各種各樣的形式，那么我們?cè)谠O(shè)計(jì)LED燈具過(guò)程當(dāng)中需要考慮到其功能，并且考慮到設(shè)計(jì)所適用的環(huán)境，重點(diǎn)要做好LED路燈散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 LED路燈的散熱解決方案

設(shè)計(jì)LED路燈前首先要對(duì)所使用的白光光源LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)有充分的了解，才能進(jìn)行燈體結(jié)構(gòu)的散熱設(shè)計(jì)，因?yàn)槟壳八褂玫陌坠夥庋bLED的種類很多，大體上有兩個(gè)比較大的類別，區(qū)別在于是單顆點(diǎn)陣的SMD封裝、還是集成封裝（COB）光源，兩種的光源方式散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然原理相同，但是在局部設(shè)計(jì)上還是有些許不同的。

在上文我們分析過(guò)Led內(nèi)部熱沉在傳遞給鋁基板的影響因素的改善方案;而鋁基板的熱量傳遞給散熱器，再?gòu)纳崞骰蛘咄鈿どl(fā)至周邊環(huán)境這一熱交換的過(guò)程是我們接下來(lái)的要詳細(xì)探討的。熱量從鋁基板到散熱器再到周圍環(huán)境可以理解為儲(chǔ)熱—導(dǎo)熱—散熱這么一過(guò)程。目前路燈的散熱器材料和散熱結(jié)構(gòu)制造工藝多種多樣，本文就以目前市場(chǎng)上最為常見(jiàn)的擠壓鋁型材散熱器來(lái)深入探討散熱設(shè)計(jì)思路和方案。首先，LED路燈初點(diǎn)時(shí)，LED溫度急劇上升，整片鋁基板吸收了來(lái)自LED產(chǎn)生的絕大多數(shù)熱量，這會(huì)導(dǎo)致鋁基板急劇升溫，那么散熱器上與鋁基板接觸的部分，這里稱之為散熱器基體，基體的厚度直接影響到能夠快速吸收熱量的多少，也會(huì)影響熱穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，因此散熱器的基體不宜太薄，如果太薄，對(duì)于急速散發(fā)出來(lái)的熱量無(wú)法及時(shí)吸收，會(huì)使LED短時(shí)間的節(jié)溫過(guò)高，長(zhǎng)久使用反復(fù)熱沖擊下會(huì)導(dǎo)致LED壽命減少、光衰加快，甚至直接燒毀。散熱器基體吸收熱量的這個(gè)過(guò)程就稱為儲(chǔ)熱;對(duì)于集成封裝（COB）而言，儲(chǔ)熱尤為重要，因?yàn)镃OB的LED全部集中于一個(gè)面積較小的支架內(nèi)，熱量十分集中，相互的熱傳導(dǎo)和擴(kuò)散效果不如點(diǎn)陣排布的SMD的LED好。其次，當(dāng)散熱器基體不停的接受著來(lái)自鋁基板的熱量的同時(shí)，在制造工藝和成本允許的情況下，適當(dāng)增加多一些熱通道，可以使更多的熱量更快的傳遞到散熱器鰭片或者外殼上，而且在設(shè)計(jì)熱通道時(shí)，還要盡量使LED正對(duì)散熱通道，這樣會(huì)讓LED產(chǎn)生的熱量能更迅速的通過(guò)熱通道傳遞到散熱器鰭片上，減少熱量傳遞過(guò)程所遇到的熱阻;這一過(guò)程稱為導(dǎo)熱。最后，就是散熱器鰭片的設(shè)計(jì)，多數(shù)人都清楚，散熱器鰭片面積越大，與外界空氣熱交換的面積就越大，散熱效果越好，其實(shí)這只是其中一個(gè)因素，鰭片排列的密度、高低差、厚薄粗細(xì)同樣影響這散熱效果，綜合考慮散熱器的制造工藝和成本鰭片設(shè)計(jì)能夠形成一定的高低差，同時(shí)鰭片與基體的連接處厚度要大于鰭片的末端，厚度由厚變細(xì)均勻遞減會(huì)得到更佳經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的散熱效果;下面仍然是利用相關(guān)軟件對(duì)不同的兩種封裝形式的LED光源和散熱進(jìn)行熱分析模擬（圖三為點(diǎn)陣SMD路燈模組、圖四為COB路燈模組），以期達(dá)到性價(jià)比更高以及散熱效果更加合理的散熱器結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語(yǔ)

為有效解決大功率LED因溫度過(guò)高導(dǎo)致的光效低以及壽命延長(zhǎng)等問(wèn)題，本文深入分析了LED路燈安裝的環(huán)境和其散熱效果的關(guān)系和影響，重視鋁基板的設(shè)計(jì)和燈具散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以期提供更好的散熱設(shè)計(jì)解決方案。

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