LED路燈的散熱設(shè)計及可靠性研究

楊 輝 楊維明 陳建新 劉國富

(1.湖北大學(xué)物理學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430062;2.北京工業(yè)大學(xué)光電實驗室，北京 100124)

1 引言

隨著大功率白光LED的技術(shù)革新，LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。2010年10月，國務(wù)院正式發(fā)布《國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，將半導(dǎo)體照明列為七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向，明確了半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)在國家層面上的政策導(dǎo)向。在道路照明方面的應(yīng)用也變得尤為關(guān)注。但是，基于目前的半導(dǎo)體制造技術(shù)，LED輸入功率中只有大約30%的能量轉(zhuǎn)化為光能，其他的則轉(zhuǎn)化為熱能［1］。因此當多顆LED集中工作時，將會產(chǎn)生巨大的熱量。若不能使這些熱量盡快且有效地耗散，隨之而來的熱效應(yīng)將會變得非常明顯，進而結(jié)溫上升，減少芯片射出的光子，使色溫質(zhì)量降低，加快芯片老化，縮短LED壽命，且由于LED芯片輸入功率的不斷提高，因散熱問題牽扯到光、電、色等一系列的問題顯得更加突出［2］，因此對LED路燈散熱結(jié)構(gòu)進行熱分析和優(yōu)化設(shè)計就變得異常關(guān)鍵。

2 散熱技術(shù)研究現(xiàn)狀

LED的熱僅通過熱傳導(dǎo)的方式散發(fā)，它不像傳統(tǒng)光源大部分的熱是靠熱輻射的方式散發(fā)出去的，經(jīng)過試驗證明，對LED器件來說，溫升嚴重影響LED的性能，造成光衰、色溫變化、壽命降低等不利情況，經(jīng)國內(nèi)外的大量研究表明，LED發(fā)光芯片的結(jié)溫和LED的出光量成反比［3］。因此要想保證LED正常工作，需要及時將LED工作時產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)出去，散熱設(shè)計對LED光源的性能起著至關(guān)重要的作用，良好的散熱設(shè)計可以大幅度地延長LED的使用壽命。對于大功率LED路燈來說，目前多采用的方法有:回路熱管散熱，均溫板加鰭片，加裝電扇強制散熱，自然對流散熱等。

加裝風扇強制散熱方式系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性低，熱管和回路熱管散熱方式成本高。而路燈在戶外夜間使用、散熱面位于側(cè)上面以及體型受限制較小等有利于空氣自然對流散熱的優(yōu)點，LED路燈盡可能選擇自然對流散熱方式。

為了提高散熱效果，常采用導(dǎo)熱性能好的材料作散熱器。在常見的金屬中，銀的導(dǎo)熱率最高，但是它的價格不菲?，F(xiàn)在常用的散熱器材料主要是鋁和銅。鋁價格便宜，密度小，好加工，導(dǎo)熱性能良好。相比較而言，銅的導(dǎo)熱率比鋁的大，許多散熱能力超強的散熱器均采用純銅打造。但銅材料價格昂貴、易氧化，加工成本高。為了降低成本LED路燈還是建議采用鋁。

大功率LED作為光源固定于燈具上，LED的熱量如果不能被及時有效地傳導(dǎo)至外殼表面，則聚集的熱量會使燈具散熱板的溫度急劇上升，導(dǎo)致LED溫度升高，增加了LED失效的幾率，造成LED光衰加劇，壽命縮短。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很低，在安裝LED時，要保證接觸面平整，接觸良好，并且在LED基板底部或散熱片表面均勻、適量地涂敷一層導(dǎo)熱材料。通常選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱硅膠等材料。試驗表明，LED燈具系統(tǒng)上加入導(dǎo)熱涂層能提高LED系統(tǒng)的散熱效率，導(dǎo)熱系數(shù)越高的材料，散熱效果越好［4］。

3 LED散熱設(shè)計

根據(jù)要求其結(jié)溫最高溫度控制在125℃，使其在環(huán)境溫度最高為45℃的情況下能正常。其中LED自身熱阻 Rj－g為 12℃ /W，導(dǎo)熱硅脂熱阻為8℃/W，LED安裝于3cm×3cm的金屬線路板上，熱阻為45℃/W［5］，當 LED 總功率為1.17 W(電流為350mA，電壓為 3.35V)時，發(fā)熱功率為0.82W(按70%發(fā)熱計算)，計算得散熱器的最大熱阻約為15℃/W。為此設(shè)計了3種符合要求的散熱器，如圖1所示。散熱器寬均為 25mm，基座厚度為4mm，翅片高度定義為30mm。

圖1 三種散熱器圖形Fig.1 Three kinds of radiator

表1 三種散熱器實驗數(shù)據(jù)Table 1 Three radiator experimental data

從表1中可以看出，B型的熱阻要比A型的熱阻低，C型的熱阻要比B型的熱阻低，可見T型翅片的熱阻比矩形翅片的熱阻小，三角形翅片的熱阻比T型翅片的熱阻低。還可以看出散熱器的熱阻與其散熱面積有關(guān)，相同條件下散熱面積越大，熱阻越低。為了加大散熱面積可增加肋板數(shù)和肋板高度，也可以在翅片上加設(shè)鋸齒狀或半圓形波浪紋。

為了研究肋板高度與熱阻的關(guān)系，我們在其他條件和散熱器 B相同的條件下，只改變肋板高度，分析其熱阻變化，結(jié)果見表2。

表2 不同翅片高度的實驗數(shù)據(jù)Table 2 The experimental data of the different fin height

當翅片高度小于30mm時，其熱阻隨翅片高度的增加線形下降，翅片高度超過30mm時其熱阻隨翅片高度的增加緩慢下降。因此在設(shè)計散熱器時，要合理設(shè)計翅片高度，并不是翅片越高散熱效果越好。綜合分析重量、散熱面積和熱阻等諸多因素的作用，我們可以看出當翅片高度設(shè)計為30mm時是比較理想的結(jié)果。同時上面的設(shè)計與這里的分析結(jié)果也是一致的。

4 LED路燈的可靠性研究

針對自主研發(fā)的一款LED路燈，進行老化試驗，研究LED光源在路燈照明應(yīng)用中的可靠性。對燈具條進行老化實驗，操作簡單方便，節(jié)約成本，將其與同一廠家的LED光源 (配有良好散熱裝置)同時老化，對比實驗結(jié)果，從而分析燈具條的散熱效果能否保證LED光源的高可靠性。選用某公司封裝的1W白光LED作為試驗樣本，樣本數(shù)量為10顆，編號為1～10，這十顆LED經(jīng)過初始測試，具有較好的一致性，可以滿足試驗的要求。1、2、3、4號LED，四顆串聯(lián)后組裝成LED燈具條;5、6、7、8號LED，四顆串聯(lián)后安裝于良好散熱板上，9、10號LED做為校正測試儀器備用。試驗前，分別對1—2—3—4號LED串和5—6—7—8號LED串進行光色電測試，老化試驗為常溫電應(yīng)力試驗，將兩組LED串聯(lián)裝置同時通入700mA直流進行老化。測試結(jié)果如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 光通量隨老化時間變化趨勢Fig.2 The trend of Luminous flux with aging time

圖3 色溫隨老化時間變化趨勢Fig.3 The trend of Color temperature with aging time

圖4 發(fā)光效率隨老化時間變化趨勢Fig.4 The trend of the luminous efficiency with aging time

以上試驗證明，此款LED路燈的散熱板以及安裝方式能夠滿足LED光源的散熱要求，可以保證LED長期穩(wěn)定的工作。需要注意的是燈具條的設(shè)計以及反光碗的使用，要優(yōu)化燈具結(jié)構(gòu)，盡量減少因燈具的光吸收造成的能量損耗，提高燈具效率。

5 總結(jié)

首先分析了翅片高度、散熱片面積對LED性能的影響，緊接著根據(jù)實驗室的現(xiàn)有條件，設(shè)計了針對LED路燈的老化實驗，實驗結(jié)果表明:初期光通量的減少主要是因為燈具中對光的吸收或部分部件擋光造成的，而后期光衰則主要是因為大功率LED光源的自身衰減，這個衰減程度是與光源LED的產(chǎn)品性能有直接關(guān)系的，因此，設(shè)計LED路燈要選擇可靠性高的大功率LED光源，并且在設(shè)計燈具時，要盡量減少擋光、雜散光等現(xiàn)象，在LED光源與燈具散熱板接觸處，使用導(dǎo)熱系數(shù)高的材料。

［1］施克孝.LED燈具的散熱——LED知識 (八).演藝科技燈光技術(shù)，2011，12:13～14.

［2］谷青.發(fā)光二極管LED道路照明是否已經(jīng)成為現(xiàn)實——介紹國外的看法.光源與照明，2008，4:12～13.

［3］韓建偉，劉行仁.節(jié)能LED路燈.中國照明電器，2009，(1):17～21.

［4］Winston R.，Minano J C.，Benitez P.et al.Nonimaging optics［M］.Burlington:ElsevierAcademic Press，2005.

［5］GeLcore J P.Thermal challenges facing new generation light emitting diodes(LEDs)for lighting applications.Proc.of SPIE，2002，4776:215.