大功率LED燈的散熱性能分析

朱中平

摘要：近年來，LED燈在照明領(lǐng)域應(yīng)用的越來越廣泛。LED燈在產(chǎn)生光能的同時(shí)，也有一部分電能轉(zhuǎn)換成熱能導(dǎo)致LED燈具內(nèi)部溫度升高，當(dāng)燈具內(nèi)部溫度超過允許界限之后可能會(huì)降低LED的發(fā)光效率、燒壞LED晶片、縮短其使用壽命，并且LED的產(chǎn)熱量與LED的功率成正比?？梢娚釂栴}是大功率LED應(yīng)用和發(fā)展的最大阻礙，而如何使這部分熱量快速散發(fā)出去是業(yè)內(nèi)人士普遍關(guān)注的問題。關(guān)鍵詞：大功率：LED燈;散熱性能

中圖分類號(hào)：TN312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6487（2019）03-0101-02

0引言

以大功率LED燈具熱管理為入手點(diǎn)，從芯片級(jí)、封裝級(jí)、系統(tǒng)集成散熱級(jí)3個(gè)方面，對(duì)大功率LED燈散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡單的分析。并依據(jù)大功率LED燈運(yùn)行熱性能影響因素，對(duì)大功率LED燈散熱性能優(yōu)化進(jìn)行了進(jìn)一步探究。

1大功率LED燈的散熱分析

LED燈的發(fā)熱源：成品LED的光源就是LED的發(fā)熱源，LED輸入功率的70%左右將以熱量的形式發(fā)散出去。從照明原理及其基本架構(gòu)來看，可概括為“一源兩面i6.源”指的是LED的光源，用來充當(dāng)照明所需的光輸出;“兩面”分別指發(fā)光面和發(fā)熱面。導(dǎo)熱器件及均熱器件：導(dǎo)熱器件及均熱器件通常是指PCB板子上的金屬（一般為鋁材質(zhì)的）部分，常被稱作“一次器件”。導(dǎo)熱器件和均熱器件的主要功能是將LED在放光過程中產(chǎn)生的熱能導(dǎo)出來，同時(shí)將所有熱點(diǎn)的熱量均勻化，從而提高整體的散熱效率。散熱器件：大功率和中等功率的LED照明燈的散熱器件主要由鋁材構(gòu)成，通常被稱作“二次器件”[1。散熱器件采用專門的鑄造工藝，如利用壓鑄、擠壓、鍛造以及表面涂覆等工藝制造，熱量最終在空氣對(duì)流的作用下被發(fā)散掉。此外，超大功率的LED燈還可以應(yīng)用熱管散熱器技術(shù)來增強(qiáng)散熱能力。

2大功率LED燈的散熱性能影響因素

2.1翅片幾何參數(shù)及位置

一方面，在翅片達(dá)到額定高度之前，隨著翅片幾何高度的提升，大功率LED燈散熱性能也不斷提升。同理在翅片達(dá)到額定厚度之前，隨著翅片厚度的增加，大功率LED燈散熱效率也不斷提升[2]。另一方面，大功率LED燈散熱翅片高度、寬度、間距具有一致性，而其在長度、數(shù)量等方面的差異，也直接影響了大功率LED燈散熱性能。從大功率LED燈芯片溫度變化角度進(jìn)行分析，芯片四側(cè)面翅片散熱效果遠(yuǎn)高于上表層一翅片散熱效果。

2.2工作環(huán)境溫度

大功率LED燈工作外部溫度也對(duì)大功率LED燈表面散熱效率具有一定的影響。一般來說，在大功率LED燈表面與外界環(huán)境溫度差異較大時(shí)，大功率LED燈可達(dá)到最優(yōu)散熱效率。

2.3散熱器材料類型

大功率LED燈散熱片主要以對(duì)流、熱輻射2種模式進(jìn)行熱量散出。而在自然空氣對(duì)流的背景下，若選擇導(dǎo)熱性能良好的大功率LED燈散熱片材料，則可提高大功率LED燈散熱器散熱效果。

3大功率LED燈的散熱性能優(yōu)化

3.1大功率LED燈散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

一方面，基于翅片結(jié)構(gòu)的散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以某型號(hào)大功率LED燈散熱片為例，依據(jù)翅片高度、長度對(duì)大功率LED燈散熱性能仿真模型分析結(jié)果，可得出當(dāng)大功率LED燈散熱器翅片高度在0.05～0.07m之間時(shí)，芯片溫度波動(dòng)較大，而大功率LED燈散熱器翅片高度在0.071～0.11m時(shí)，芯片溫度波動(dòng)趨于平緩。據(jù)此，綜合考慮大功率LED燈散熱片形狀及成本因素，在散熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，可控制大功率LED燈散熱器翅片高度在0.05～0.11m之間[3]。同理，依據(jù)大功率LED燈長度與大功率LED燈散熱性能有限元分析結(jié)果，可控制大功率LED燈散熱器翅片長度在0.030～0.120m之間。另一方面，基于自然LED影視平板的散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。以LED安全溫度范圍為依據(jù)，可采用18顆集成式LED光源，以3組的形式合理設(shè)置在LED光源傳熱面層上。在每組集成LED光源間可設(shè)置整體式凹槽，凹槽底部可設(shè)置散熱器支撐板，將整體散熱器劃分為2個(gè)模塊，即LED光源安裝區(qū)域、LED熱量散發(fā)區(qū)域。而在LED光源凸出模塊兩端可分別設(shè)置排列式缺口，便于散熱器安裝位置與LED光源位置的有效對(duì)應(yīng)。在具體運(yùn)行過程中，基于自然影視平臺(tái)的LED散熱結(jié)構(gòu)散熱器、LED光源區(qū)連接通道主要為缺口、通孔。而整體LED燈具散熱系統(tǒng)傳熱載體為LED基板，即LED燈具中溫度最高位置。由LED芯片出發(fā)，通過缺口、通孔傳輸?shù)絃ED基板中的熱量，大多以散熱器→散熱片→空氣為散熱線路;而在LED燈具基板之外的熱量，由于LED高溫基板的影響，區(qū)域內(nèi)多余熱量可通過散熱片熱量通道散出。為了確定基于自然衍射平臺(tái)LED散熱結(jié)構(gòu)具體數(shù)據(jù)，可在LED燈具熱平衡后，放置在溫度為32.0"C，濕度為55.0%，且無風(fēng)扇或其他通風(fēng)裝置的恒定溫濕度區(qū)域內(nèi)，采用紅外線測溫儀對(duì)改造后LED燈具、改造前LED燈具各結(jié)構(gòu)模塊熱分布情況進(jìn)行探測，通過對(duì)LED改造后結(jié)構(gòu)各模塊熱分布情況分析，可進(jìn)行空氣冷熱交換流動(dòng)模擬，從而得出具體通孔、缺口設(shè)置數(shù)據(jù)。此外，在大功率LED燈散熱片結(jié)構(gòu)中，每一組散熱器翅片組合均具有一最高值，且相應(yīng)散熱器翅片組合數(shù)量、間隙距離也與大功率LED燈散熱性能具有一定聯(lián)系。因此，為保證大功率LED燈散熱翅片間空氣正常流通，可控制大功率LED燈散熱片數(shù)量在12～16片之間。

3.2大功率LED燈散熱體材料選擇

散熱體材料對(duì)大功率LED燈散熱性能的影響主要體現(xiàn)在不同散熱材料導(dǎo)熱系數(shù)間差異。從定性層面進(jìn)行分析，隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增加，大功率LED燈表層熱阻會(huì)逐步下降，進(jìn)而提高整體散熱體熱量傳導(dǎo)效率。常見的大功率LED燈散熱體材料主要包括銀、鋁、鋁合金、銅等幾種材料。其中，銀的導(dǎo)熱系數(shù)最大，為429.0W/（m.K），鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)最小，為155.0W/（m·K）。若單一從導(dǎo)熱系數(shù)角度進(jìn)行分析，銀為大功率LED燈最佳散熱體材料。但是由于銀柔韌性不足，無法使散熱器穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，考慮到性價(jià)比、硬度等因素，可選擇銅或者鋁作為大功率LED燈散熱體主要材料。一般來說，若存在250W或以上的LED燈具，可在鋁材料應(yīng)用的基礎(chǔ)上，添加適量的銅作為散熱材料。而在現(xiàn)有LED燈具中，常采用鋁作為散熱材料。此外，在電子設(shè)備材料發(fā)展過程中，大功率LED燈散熱體材料類型也逐漸增加。在保證大功率LED燈架構(gòu)緊縮性能的前提下，可采用MAP系列高導(dǎo)熱系數(shù)軟性硅膠導(dǎo)熱絕緣墊作為大功率LED燈散熱體材料。以MAP-05為例，其作為大功率LED燈表層縫隙填充材料。MAP-05優(yōu)越的質(zhì)地，可在極低壓力下、高溫160.0°C環(huán)境中保持良好的傳熱性能。同時(shí)，軟性導(dǎo)熱硅膠絕緣墊片狀材質(zhì)，還可以根據(jù)LED燈發(fā)熱功率器件大小、形狀進(jìn)行隨意更換，是較為優(yōu)良的導(dǎo)熱材料。

3.3大功率LED燈溫度試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

大功率LED燈溫度試驗(yàn)主要是采用現(xiàn)代加工技術(shù)，針對(duì)最終優(yōu)化燈具模型，選擇同樣的數(shù)據(jù)尺寸信息進(jìn)行樣品制作。同時(shí)，選擇額定功率為1.5W的LED芯片，共計(jì)50顆陣列式排布在鋁基板上，開展穩(wěn)態(tài)溫度試驗(yàn)。溫度試驗(yàn)主要采用優(yōu)化后大功率LED燈具整機(jī)實(shí)驗(yàn)方式，將試驗(yàn)樣燈放置在48°C恒溫試驗(yàn)箱內(nèi)。并向試驗(yàn)箱內(nèi)連接220.0V電壓線，持續(xù)運(yùn)行24h后，使用溫度測試儀測試樣燈表層溫度。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，可得出由于測試環(huán)境、設(shè)備、接線盒等因素的影響，優(yōu)化后實(shí)際溫度試驗(yàn)、有限元模型仿真試驗(yàn)結(jié)果具有一定誤差，總體數(shù)據(jù)分布規(guī)律相差不大。據(jù)此，在后續(xù)大功率LED燈優(yōu)化后結(jié)果分析過程中，可選擇有限元模型仿真的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

發(fā)光二極管即LED是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的新型冷光源之一，它本身具有高效節(jié)能、使用壽命長、對(duì)環(huán)境幾乎不產(chǎn)生污染等優(yōu)點(diǎn)，在各大領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，并成為了21世紀(jì)發(fā)展前景最廣闊的光源之一。但是對(duì)于功率較大的LED來說，其本身在發(fā)光的過程中會(huì)產(chǎn)生過多的熱量，如果這部分熱量無法及時(shí)發(fā)散，則會(huì)很大程度地?fù)p壞LED。為此，文中總結(jié)了優(yōu)化散熱片、加裝熱管或均溫板、優(yōu)化界面材料和加裝散熱風(fēng)扇等方法來提高LED的散熱效率。

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