一款LED航空燈具的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真驗證

摘 要：LED是替代傳統(tǒng)光源的第四代光源，但是其發(fā)光效率低、發(fā)熱量大，所以散熱對大功率LED十分重要。對一款LED航空燈具進行散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計時需通過內(nèi)部散熱設(shè)計和外部散熱設(shè)計兩部分實現(xiàn)。建立LED航空燈具的三維模型，并通過熱流分析軟件FloEFD對其進行熱分析，得到散熱器結(jié)構(gòu)尺寸對散熱性能的影響情況。應(yīng)用此結(jié)構(gòu)可以有效降低LED芯片結(jié)溫，達到了對該款航空燈具的散熱要求。

關(guān)鍵詞：LED;散熱;熱仿真

中圖分類號：TN312.8 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）13-0081-02

本文的主要內(nèi)容是燈具的結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計，難點在于在有限的體積內(nèi)，既要滿足適合航空器材的輕量化要求，又要達到LED燈具合適的散熱效果。

1散熱設(shè)計

LED不同于傳統(tǒng)光源的燈具，LED芯片的發(fā)光光譜中不包含紅外部分，所以LED產(chǎn)生的熱量無法通過熱輻射釋放，只能靠熱傳導(dǎo)釋放熱量。而且LED芯片的體積相對較小，如果不及時散熱，芯片溫度將迅速上升，芯片中就會發(fā)生熱應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象，以至于影響LED芯片的使用壽命。并且高溫還會降低LED芯片的光電轉(zhuǎn)換效率，使更多的電能轉(zhuǎn)換成熱能。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)LED芯片的溫度高到一定值以后，芯片的失效率將顯著增加，一般成指數(shù)規(guī)律。元件溫度每上升2℃，可靠性下降10%[1]。PN結(jié)的溫度在比較低的區(qū)間時，LED芯片的亮度基本沒有變化或者變化量非常微小，但是只要PN結(jié)的溫度升高到一定范圍后，LED芯片的亮度就會持續(xù)的下降，甚至可以超過35%[2]。

提升LED燈具散熱效率的方法有兩種：減少發(fā)熱和加速散熱。前者的原理是將LED芯片的光電轉(zhuǎn)換效率提高，使轉(zhuǎn)換成光能的電能更多，以實現(xiàn)降低光源的發(fā)熱量的目的，從而使PN結(jié)的結(jié)溫降低。這個方法可以從源頭上減少LED的發(fā)熱量，但從目前的LED芯片封裝工藝技術(shù)層面來說很難實現(xiàn)或者實現(xiàn)的成本非常高。另一種方法是對LED芯片的散熱渠道進行改進從而提高散熱效率，創(chuàng)造合理的散熱渠道能迅速釋放出光源所產(chǎn)生的熱量，從而使PN結(jié)的結(jié)溫降低。針對產(chǎn)生的熱量在設(shè)計散熱通道的結(jié)構(gòu)時，散熱器是一個非常重要的部分，而且對散熱器的研究設(shè)計相對于研究減少LED芯片的發(fā)熱量來說，比較方便可行。

為使LED光源芯片的熱量能夠快速的傳導(dǎo)到鋁材外殼上，光源鋁基板采用熱電分離工藝[3]、外露銅箔鍍金處理，使熱量能夠快速傳導(dǎo)，熱電分離工藝，即LED貼片光源的熱傳導(dǎo)部分和正負(fù)電極金屬分離狀態(tài)，通過在金屬基板上將對應(yīng)貼片光源發(fā)熱部分的金屬上浮使其緊密貼合，能夠?qū)崿F(xiàn)熱量的快速傳導(dǎo)。并在光源板與鋁材外殼間襯墊超薄石墨導(dǎo)熱片，其導(dǎo)熱系數(shù)為151W/mK，是導(dǎo)熱硅脂的近30倍，可以將光源板上的溫度快速傳導(dǎo)到鋁材外殼上。

LED燈具的散熱形式有兩種：主動式散熱和被動式散熱。根據(jù)散熱器上熱量的散出方式不同，主動式散熱是通過加入散熱設(shè)備（如風(fēng)扇等）將LED芯片產(chǎn)生的熱量從燈具的散熱器上強制帶走的方式，目前主動式散熱有風(fēng)冷散熱、熱管散熱、液冷散熱等。被動式散熱主要是依靠空氣自然對流將熱量帶走的方式。

被動散熱不需要其他輔助散熱方法。該散熱方法可以方便、有機地與LED燈具的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合，容易滿足燈具使用環(huán)境的防護要求，無其他能耗，設(shè)計成本低，簡單易行，環(huán)境適應(yīng)性強。目前在大功率LED燈具的生產(chǎn)中，被動散熱仍然是主要的散熱方式。

在LED散熱設(shè)計中，鰭片散熱器由于結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、散熱效果好而得到了廣泛的應(yīng)用。它由鰭片和基座構(gòu)成，主要的幾何參數(shù)包括鰭片長、鰭片厚、鰭片數(shù)、基座厚、基座寬等?？紤]到本文研究的LED燈具應(yīng)用環(huán)境，對于本文中燈具來說，為了配合有限的體積，達到結(jié)構(gòu)簡化、重量較輕、適合航空器材的要求的目的，燈具的外部散熱方式為被動散熱方式，在殼體上直接做出散熱鰭片型散熱器作為研究對象，對功率型LED燈具熱性能進行數(shù)值分析和優(yōu)化設(shè)計。

根據(jù)要求，在有限的體積中要有良好的散熱功能，還要滿足環(huán)境適應(yīng)性中的要求，設(shè)計產(chǎn)品為以下形式。

如圖1所示，燈具整體采用螺釘加固方式，通過螺釘將燈具的壓蓋和燈具的殼體牢固連接，螺釘采用螺紋膠進行密封處理。壓蓋和玻璃蓋之間采用打密封膠進行密封處理，透鏡通過螺釘固定在，燈具和上蓋之間采用耐熱性能及密封性能好的密封圈進行擠壓密封，光源組件和電源組件均用螺釘固定在殼體上。

2 仿真驗證

FloEFD是一款通用的流體動力學(xué)軟件，是一款無縫集成嵌入三維機械CAD環(huán)境中高度工程化的通用流體傳熱分析軟件，真正實現(xiàn)了仿真分析流程與設(shè)計流程的無縫結(jié)合，成為從事于流動、換熱相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)/設(shè)計工程師的高效工具，具有操作簡單、應(yīng)用性廣的特點。本文使用FloEFD對燈具進行散熱模擬分析[4]。

兩種模式的散熱仿真結(jié)果見圖2。

3結(jié)論

從散熱仿真的結(jié)果可以看出，滑行模式下燈具溫度的最高點為84.56℃，著陸模式下燈具溫度的最高點為85.69℃，均在合理的LED工作溫度區(qū)間內(nèi)，說明燈具的兩種模式在當(dāng)前的功率下，散熱器的散熱能力達到了LED芯片的散熱需求并且還可以有提高LED芯片功率的空間，此結(jié)構(gòu)的設(shè)計滿足該燈具對散熱的需求。

參考文獻

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[3] 秦典成，梁可為，陳愛兵.熱電分離式銅基板的制備及其在LED散熱領(lǐng)域的應(yīng)用[J].半導(dǎo)體光電，2018（4）：544-548.

[4] 李波，陳文鑫.FloEFD流動與傳熱仿真入門及案例分析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.

Abstract：LED is the fourth-generation light source to replace the traditional light source， but its luminous efficiency is low and the heat is large， so heat dissipation is very important for high-power LEDs. The heat dissipation structure design of an LED aviation lamp is realized through two parts： internal heat dissipation design and external heat dissipation design. The three-dimensional model of LED aviation lamps is established， and the thermal analysis is carried out on the heat flow analysis software FloEFD， and the influence of the radiator structure size on the heat dissipation performance is obtained. The application of this structure can effectively reduce the junction temperature of the LED chip，which meets the heat dissipation requirements of the aviation lamp.

Key words：LED;heat dissipation;thermal simulation

收稿日期：2020-05-22

作者簡介：翟晨（1986—），男，陜西寶雞人，碩士，工程師，研究方向：機械。