淺析大功率LED工礦燈設(shè)計(jì)

鄒親勝，金 超

湖北楚驥科技有限公司

淺析大功率LED工礦燈設(shè)計(jì)

鄒親勝，金 超

湖北楚驥科技有限公司

大功率LED燈具具有亮度高、恒流驅(qū)動(dòng)、發(fā)熱量高等特點(diǎn)，因此對(duì)散熱要求更加嚴(yán)格。在介紹LED燈具設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容基礎(chǔ)上，重點(diǎn)突出整個(gè)散熱通道的熱設(shè)計(jì)，并以LED工礦燈為例，分析設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及解決辦法。

LED；節(jié)能；可靠性；外觀結(jié)構(gòu)；工藝結(jié)構(gòu)；散熱結(jié)構(gòu)

隨著全球能源危機(jī)的進(jìn)一步加劇，新型節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽、色彩豐富的LED照明燈具越來(lái)越受到人們的喜愛(ài)，但是在LED照明燈具的使用過(guò)程中，也出現(xiàn)一些問(wèn)題，如“節(jié)能不節(jié)錢(qián)”、“長(zhǎng)壽不長(zhǎng)命”以及亮度衰減過(guò)快等，這些其實(shí)都不是LED的固有問(wèn)題，而是我們的燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得不合理，下面以大功率LED工礦燈為例來(lái)分析一下怎樣才能設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理的LED照明燈具。

一、大功率LED工礦燈設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

現(xiàn)階段市場(chǎng)上的大功率LED工礦燈大體可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是整體成型散熱結(jié)構(gòu)，另一類(lèi)是接合型散熱結(jié)構(gòu)。從外表來(lái)看，這兩類(lèi)散熱器的外觀設(shè)計(jì)和工藝都不錯(cuò)，但我們不能僅憑外觀來(lái)判定其散熱效果，必須通過(guò)測(cè)試分析LED的結(jié)溫才能了解其散熱性能。事實(shí)上，大多數(shù)LED工礦燈的散熱設(shè)計(jì)存在一些問(wèn)題，主要問(wèn)題如下：

1.散熱翅片面積隨意設(shè)定，沒(méi)有定量的概念，而只是憑感覺(jué)來(lái)設(shè)計(jì)其面積，這是一個(gè)嚴(yán)重的錯(cuò)誤。散熱翅片的面積不僅影響整個(gè)燈具的散熱效果，而且影響燈具的重量。

2.散熱翅片布置方式不合理，不是以中心對(duì)稱(chēng)的方式布置，這不僅影響熱量傳遞的均衡性，而且還會(huì)影響鋁基板或散熱底板的固定效果，從而影響燈具的散熱和生產(chǎn)效率。

3.強(qiáng)調(diào)熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)、忽視對(duì)流散熱環(huán)節(jié)，這可能是一個(gè)普遍性的問(wèn)題。廠家考慮了多種措施，如熱管、回路熱管、添加導(dǎo)熱硅脂等[1]，卻沒(méi)有認(rèn)識(shí)到熱量最終還得靠燈具的外表面散去。

4.忽視傳熱的均衡性，這是一個(gè)更深層次的問(wèn)題。如果翅片的溫度分布嚴(yán)重不均勻，將會(huì)導(dǎo)致其中一部分翅片（溫度較低的部分）沒(méi)有發(fā)揮作用或作用很有限。

二、大功率LED工礦燈設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.光學(xué)設(shè)計(jì)

大功率LED工礦燈的光學(xué)設(shè)計(jì)通常有兩種方式：一種是透鏡加反光罩；一種是直接用反光罩。大功率LED工礦燈通常采用朗伯型（類(lèi)圓形）配光，發(fā)光角度為90～120°。光學(xué)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是光損失小、發(fā)光均勻，所以反光罩內(nèi)表面通常采用精細(xì)磨砂處理。

2.燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大功率LED工礦燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括外觀、工藝和散熱結(jié)構(gòu)，這三者既相互聯(lián)系又相互影響，故設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮所使用的材料、成型工藝、裝配工藝、表面處理及燈具的使用環(huán)境等因素。

（1）外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

早期設(shè)計(jì)師們不太關(guān)注燈具的外觀設(shè)計(jì)，但隨著社會(huì)的進(jìn)步和人們生活水平的提高，燈具的外觀結(jié)構(gòu)也越來(lái)越受到人們的重視，即所謂的“藝術(shù)化”。設(shè)計(jì)師在進(jìn)行燈具外觀設(shè)計(jì)的過(guò)程中一定要考慮與環(huán)境的和諧統(tǒng)一。全球電器巨頭飛利浦提出了“只見(jiàn)光不見(jiàn)燈”的理念，這就是燈具設(shè)計(jì)的更高境界了，當(dāng)然我們不可能一步到位，但可以朝著這個(gè)方向努力。

（2）散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

燈具的散熱結(jié)構(gòu)決定了燈具的壽命，因此散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重中之重，它不僅僅是燈具散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且還包括從發(fā)光芯片到散熱器的整個(gè)散熱通道的設(shè)計(jì)，因此與燈具零部件的成型工藝和裝配工藝也息息相關(guān)。為了更好的說(shuō)明散熱通道的設(shè)計(jì)，我們引入熱阻的公式，熱阻是物體對(duì)熱量傳導(dǎo)的阻礙程度，熱阻RT與熱量傳遞的長(zhǎng)（厚）度L成正比，與通過(guò)熱量的截面積S成反比，與材料的熱導(dǎo)系數(shù)λ成反比，即RT=L/λS；且熱阻與電阻串并聯(lián)的性質(zhì)一樣，整個(gè)散熱通道的總熱阻為：R總=R1+R2+……+Rn，所以在設(shè)計(jì)燈具散熱結(jié)構(gòu)時(shí)，可遵循以下的設(shè)計(jì)原則：

1）結(jié)構(gòu)層越少越好；

2）層的厚度越薄越好；

3）層的面積越大越好；

4）材料的熱導(dǎo)系數(shù)越大越好；

散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是散熱器的設(shè)計(jì)，首先是散熱器材料的選擇，熱導(dǎo)系數(shù)越大越好同時(shí)兼顧機(jī)械性能、價(jià)格及后加工藝[2]，常采用導(dǎo)熱性能更好的6063AL（導(dǎo)熱系數(shù)201），但是這種材料通常采用擠壓成型工藝[3]，對(duì)于空間結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的散熱器不能采用擠壓成型的工藝，只能采用煅壓成型或壓鑄成型工藝，而煅壓成型工藝成本高且受限條件比較多所以不常使用，而壓鑄成型使用材料為鋁合金ADC12（導(dǎo)熱系數(shù)96），雖然生產(chǎn)效率高，但模具成本高而且散熱效果比擠壓成型材料要差，所以要根據(jù)具體需要來(lái)靈活的設(shè)計(jì)散熱器。

（3）工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

燈具的工藝結(jié)構(gòu)除了散熱器本身的結(jié)構(gòu)符合成型工藝的要求外，更重要的是要考慮整個(gè)燈具的裝配工藝，絕大多數(shù)的設(shè)計(jì)師都會(huì)考慮到散熱器的成型工藝，也會(huì)根據(jù)成型工藝的要求來(lái)設(shè)計(jì)散熱器的結(jié)構(gòu)，但是對(duì)于裝配工藝就考慮得比較少了，沒(méi)有考慮一旦裝配不好，不但達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求，更可能影響整個(gè)燈具的壽命，所以良好的裝配工藝結(jié)構(gòu)不但有利于散熱，而且有利于生產(chǎn)效率的提高以及燈具壽命的提高。

3.電路設(shè)計(jì)

本文所講電路設(shè)計(jì)不包括驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電源一直是LED燈具壽命的短板，并且電源的設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)性比較強(qiáng)，目前國(guó)內(nèi)LED燈具企業(yè)的驅(qū)動(dòng)電源多以外購(gòu)為主。電路設(shè)計(jì)對(duì)于LED工礦燈來(lái)說(shuō)，主要是指LED光源線路板設(shè)計(jì)，由于大功率LED工礦燈的光源數(shù)量較多，一般采用串、并聯(lián)混合電路，在面積有限的PCB板內(nèi)布置LED光源，除了要考慮安全設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)外，還要顧及光源的保護(hù)，在單顆光源失效后不至于影響其它光源的正常工作。

三、大功率LED工礦燈的應(yīng)用

大功率LED工礦燈與傳統(tǒng)的高壓鈉燈相比綜合節(jié)能60%以上，顯色指數(shù)高，色彩豐富，并且維護(hù)成本低，安全可靠，因此廣泛應(yīng)用于工廠、車(chē)間、倉(cāng)庫(kù)、會(huì)展中心、超市、地鐵站、航站樓、收費(fèi)站、加油站、體育館等地的照明，隨著LED發(fā)光效率的進(jìn)一步提高，LED工礦燈的應(yīng)用將更加廣泛。

四、結(jié)束語(yǔ)

在全球倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保、低碳生活的今天，LED燈具越來(lái)越受到人們的青睞，而外形漂亮、散熱良好、色彩豐富、安全可靠的大功率LED照明燈具也將為人們豐富多彩的生活增添一分光彩。

[1]張淑芳，方亮，付光宗等.硅脂導(dǎo)熱涂層改善LED散熱性能的研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，2007,21（zA）

[2]房海明.LED散熱模塊熱傳材料介紹[EB/OL].（2010-05-30）[2015-10-13].www.china-led.net.

[3]Richard-Wen LED散熱器的工藝[EB/OL].（2013-05-10）[2015-10-13].http://wenku.baidu.com.

鄒親勝（1975-），男，漢族，湖南新化人，工程碩士，湖北楚驥科技有限公司技術(shù)總監(jiān)，從事半導(dǎo)體照明設(shè)計(jì)與應(yīng)用15年；

金超（1986-），男，漢族，安徽樅陽(yáng)人，碩士研究生，湖北楚驥科技有限公司研發(fā)經(jīng)理，從事半導(dǎo)體照明產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與應(yīng)用8年。