淺析LED路燈的散熱設計方法

李廣平（廣東昭信照明科技有限公司，廣東佛山　528251）

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淺析LED路燈的散熱設計方法

李廣平
（廣東昭信照明科技有限公司，廣東佛山528251）

【摘 要】近年來我國城市建設得到飛速發(fā)展，配套的道路照明能源消耗也將不斷增長。當前環(huán)境和能源問題越來越受到重視，尋找各種節(jié)能環(huán)保的方法對社會經(jīng)濟發(fā)展具有深遠的意義。本文通過對LED路燈模組散熱設計的原理及方法進行闡述、同時通過對實際測試結果進行比對、驗證設計方法和理論的正確性。

【關鍵詞】LED路燈散熱設計方法

1　傳熱學基本理論

傳熱學是研究不同溫度的物體或同一物體的不同部分之間熱量傳遞規(guī)律的學科。傳熱是最普遍的一個自然現(xiàn)象，幾乎所有行業(yè)領域都會存在傳熱問題，LED路燈的散熱問題則是近年來該領域中對傳熱學應用比較典型和突出的一個領域。而傳熱的基本方式離不開熱傳導、熱對流和熱輻射三種。

2　LED路燈熱的傳遞

在LED燈具中的散熱設計中，LED芯片的工作溫度一般90-105℃左右，在這過程由于熱輻射涉及的熱量與其他兩種方式比較起來很小，為了方便計算一般忽略輻射的熱量影響，主要考慮LED芯片通過熱傳導的方式將熱量傳導至外部散熱器以及散熱器與環(huán)境之間進行的對流換熱的熱量交換。熱傳導中有一個非常重要的定律：傅里葉定律其表達式為：

其中F表示熱流量，即單位時間傳遞的熱量，單位為W；q表示熱流密度，即單位時間通過單位面積傳遞的熱量；A表示垂直于導熱方向的截面積，單位為m2；l是導熱系數(shù)，單位為W/m-K，其數(shù)值大小反映材料的導熱能力，熱導率越大，材料的導熱能力就越強，導熱系數(shù)與材料及溫度等因素有關，金屬是良導體，熱導率最大，液體次之，氣體最小。負號表示熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反，如圖1所示。

牛頓冷卻公式是對流換熱中常用的計算公式，對流換熱模型結構圖如圖2所示，其表達式為：

其中F表示熱流量，即單位時間傳遞的熱量，單位為W；q表示熱流密度，即單位時間通過單位面積傳遞的熱量；A表示與流體接觸的壁面面積，單位為m2； tw為固體表面溫度， tf為流體溫度；h是對流換熱系數(shù)，單位為W/m2-K，h是表征對流換熱過程強弱的物理量，影響h因素有流體的物性（導熱系數(shù)、粘度、密度、比熱容等）、流動的形態(tài)（層流、紊流）、流動的成因（自然對流或強制對流）、物體表面的形狀、尺寸，換熱時有無相變（沸騰或凝結）等。

圖1　溫升與熱量傳遞方向的關系

圖2　對流換熱模型的建立

3　LED路燈中的熱阻

熱量傳遞是自然界中的一種轉(zhuǎn)移過程。各種轉(zhuǎn)移過程都存在過程動力和過程阻力，其轉(zhuǎn)移量與兩者之間有密切的關系，即

以上的關系很像電學中的歐姆定律：

在熱量傳遞的過程中，也存在相類似的規(guī)律，溫差是熱量傳遞的動力，熱流量類似于電流量，因此，出現(xiàn)了“熱阻”這個詞，熱阻是反映阻止熱量傳遞的能力的綜合參量，熱阻單位為K/W。

當熱量在物體內(nèi)部以熱傳導的形式傳遞時，這個時候的熱阻稱為導熱熱阻。導熱過程的熱阻為

當熱量以對流換熱的方式發(fā)生熱交換時，這個時候的熱阻為對流換熱熱阻。對于（2）式對流換熱過程的熱阻為

熱阻和電阻一樣，也以串聯(lián)或者并聯(lián)的方式連接，同樣也滿足串并聯(lián)的熱阻計算方法。當計算出系統(tǒng)的熱阻后，利用公式即可計算出系統(tǒng)與環(huán)境的溫差，在已知環(huán)境溫度的前提下便可估算出芯片的結溫。

4　改善對流換熱熱阻

根據(jù)LED路燈熱源的特點，設計工作主要是在一定的散熱量要求下，將熱沉與環(huán)境的溫差限制在一定范圍內(nèi)，獲得對流換熱系數(shù)和散熱面積的最優(yōu)組合。設計時需注意兩個方面：熱沉尺寸是個關鍵因素，其對對流換熱系數(shù)和散熱面積均產(chǎn)生影響；何種經(jīng)驗公式是適用于路燈散熱。對于前一個問題，是在進行計算時需考慮的條件，也是優(yōu)化設計的參數(shù)，進行了基于最小熱阻理論的熱沉翅片尺寸的優(yōu)化方法。

5　50WLED路燈模組熱沉設計和實驗對比

以下的熱學設計是基于50W大功率LED路燈模組設計而成的。根據(jù)道路照明要求，首先設計出光學部分出光量及光斑等要求，根據(jù)與機械部分配合尺寸方面的要求，確定熱學設計的基本限制條件為：LED350mA恒流驅(qū)動，LED陣列為6X8=48顆LED，單顆功率為1.0W，總功率48W，散熱片基板尺寸初步確定為長度方向為270mm，寬度方向尺寸為70mm，熱沉與環(huán)境之間的溫差小于等于30℃。

作者簡介：李廣平（1973—），男，江西萍鄉(xiāng)人，大專，中級，研究方向：LED燈具設計。