LED路燈熱分析及散熱結構設計研究

陳偉宜

摘?要：LED是現階段被廣泛應用的照明系統設備，屬于第四代照明光源。但是其在光電轉化過程當中存在一定的缺點，轉化率比較低，大部分電能向熱能進行轉化，因此LED需要解決和提高散熱能力等問題。對于大功率的LED來說，要想實現產業化，需要對這一問題進行解決，完善自身的關鍵技術。本文深入分析LED燈具特別是市場體量巨大的LED路燈的散熱相關問題，具體從多個方面探討熱源在燈具中的產生和聚集的問題，并從燈具結構設計的角度，深入探討和解決大功率LED路燈散熱的方法。

關鍵詞：LED路燈;散熱;結構設計

LED芯片由于光電轉化率不高，大部分進行熱能轉化，只有15%-20%的電能向光能進行輸出，所以LED在工作過程當中會產生很多熱量，如果不能及時耗散這些熱量，就會導致LED結溫上升，熱效應明顯，芯片出射的光子也會減少，使色溫質量下降，縮短期間壽命，也會加快芯片的老化。LED芯片的輸出效率也會出現增高，這就會涉及到光，電，色等其他一些問題，造成其他問題突出。所以，優化設計整個燈具的設計結構并進行熱分析是非常關鍵的。

1 LED發光電氣件設計分析和探討

基本上所有的LED燈具上的發光二極管都要通過PCB板作為載體，LED工作所產生的熱量最先是傳導到PCB板上的，就目前而言，鋁制線路板（鋁基板）是LED燈具中最被廣泛使用的PCB板;根據熱量傳遞的原理，熱量是從溫度高的物體傳遞到溫度低的物體上，因此在進行LED發光電氣件設計過程當中，需要對結溫進行良好的控制，需要考慮到散熱設計方面問題，首先需要充分了解鋁基板如何設計能更有利于LED的散熱。第一，LED排布越緊密（LED之間的間距?。嵩丛郊?，中心LED的溫度就越高，在條件允許的情況下，LED盡量分散布置，為LED周邊提供更多空間的相對低溫的介質，有利于將發射的熱量更快向外殼進行傳遞;其次，鋁基板上面的銅箔（電路）也是可以直觀傳導熱量重要一環，純銅金屬的導熱系數為381W/（m·K），僅次于純銀金屬，LED是焊接于銅箔之上的，與銅箔這個載體是唯一接觸的，熱量最先到達銅箔層，因此滿足介電性能和爬電距離的情況下，銅箔設計面積覆蓋越大越好（銅箔增加基本上不影響鋁基板的價格），可以讓熱量更快的傳導到鋁基板溫度低的位置，是的整片鋁基板更佳的均勻;最后，相同總功率下，LED顆數也是影響節溫的一個比較重要的因素，單顆LED功率最直觀的顯現在于工作時電流大小，根據焦耳定律Q=I2Rt，也就說明，工作電流越小，LED產生的熱量是成平方量級遞減，LED工作的溫度也就越低。本文通過利用相關軟件分析某公司LED路燈結構，并進行熱分析以及參數優化設計實踐對比。對不同的鋁基板設計在相同的LED路燈結構情況下工作時的溫度常變化情況進行模擬分析（圖一、圖二），最終得到良好的優化的鋁基板發光器件的設計，確保散熱效果能夠滿足要求，并達到控制成本，減少散熱器用料等方面的目的。

2 LED路燈燈具散熱問題分析

LED路燈作為所有燈具體量最大的燈具之一，與交通出行息息相關，對于路燈來說，除了機械性能與防護性能外，最重要的當屬燈具的熱性能了，接下來將著重探討路燈的使用環境以及環境對路燈熱性能的影響，LED路燈一般使用于戶外6米至15米的高空中，可以相應的理解到，在這種高度的環境下，空氣對流是相對比地面環境強的，因此要充分的利用空氣對流對LED路燈散熱的輔助作用，目前LED路燈的主要的結構設計存在兩個不同的方式;一體式主體散熱殼體和模組外包殼體兩種，這兩種方式，都要考慮到空氣對流的主要方向為沿馬路方向，同時熱氣流密度本身就比外界冷空氣低，因此熱氣流散發都為豎直向上的方向，綜上從外部環境影響上就要充分考慮燈具上的散熱器鰭片布置方向和對流透氣通孔位置的設計了。

LED路燈散熱主要通過傳導，輻射以及對流散熱這三種途徑進行。這三種方式具有不同的使用環境和效果，在進行LED燈具散熱結構設計之前，需要充分考慮到上述的使用環境和自身的熱原理，根據該環境選出合理的散熱方式，最終確定燈具的散熱結構，只有這樣才能夠設計出良好的LED路燈。但由于一些商家為了吸引顧客，更多地注重外觀設計，從而忽略了最基本的散熱結構設計，單單純通過增加散熱面積來解決散熱問題。再加上使用者往往不會特別重視這一問題，所以造成LED燈具結構散熱設計過程會存在一些問題?，F階段，LED路燈燈具結構和工藝讓人眼花繚亂，具有各種各樣的形式，那么我們在設計LED燈具過程當中需要考慮到其功能，并且考慮到設計所適用的環境，重點要做好LED路燈散熱結構設計。

3 LED路燈的散熱解決方案

設計LED路燈前首先要對所使用的白光光源LED內部結構有充分的了解，才能進行燈體結構的散熱設計，因為目前所使用的白光封裝LED的種類很多，大體上有兩個比較大的類別，區別在于是單顆點陣的SMD封裝、還是集成封裝（COB）光源，兩種的光源方式散熱結構設計雖然原理相同，但是在局部設計上還是有些許不同的。

在上文我們分析過Led內部熱沉在傳遞給鋁基板的影響因素的改善方案;而鋁基板的熱量傳遞給散熱器，再從散熱器或者外殼散發至周邊環境這一熱交換的過程是我們接下來的要詳細探討的。熱量從鋁基板到散熱器再到周圍環境可以理解為儲熱—導熱—散熱這么一過程。目前路燈的散熱器材料和散熱結構制造工藝多種多樣，本文就以目前市場上最為常見的擠壓鋁型材散熱器來深入探討散熱設計思路和方案。首先，LED路燈初點時，LED溫度急劇上升，整片鋁基板吸收了來自LED產生的絕大多數熱量，這會導致鋁基板急劇升溫，那么散熱器上與鋁基板接觸的部分，這里稱之為散熱器基體，基體的厚度直接影響到能夠快速吸收熱量的多少，也會影響熱穩態的時間，因此散熱器的基體不宜太薄，如果太薄，對于急速散發出來的熱量無法及時吸收，會使LED短時間的節溫過高，長久使用反復熱沖擊下會導致LED壽命減少、光衰加快，甚至直接燒毀。散熱器基體吸收熱量的這個過程就稱為儲熱;對于集成封裝（COB）而言，儲熱尤為重要，因為COB的LED全部集中于一個面積較小的支架內，熱量十分集中，相互的熱傳導和擴散效果不如點陣排布的SMD的LED好。其次，當散熱器基體不停的接受著來自鋁基板的熱量的同時，在制造工藝和成本允許的情況下，適當增加多一些熱通道，可以使更多的熱量更快的傳遞到散熱器鰭片或者外殼上，而且在設計熱通道時，還要盡量使LED正對散熱通道，這樣會讓LED產生的熱量能更迅速的通過熱通道傳遞到散熱器鰭片上，減少熱量傳遞過程所遇到的熱阻;這一過程稱為導熱。最后，就是散熱器鰭片的設計，多數人都清楚，散熱器鰭片面積越大，與外界空氣熱交換的面積就越大，散熱效果越好，其實這只是其中一個因素，鰭片排列的密度、高低差、厚薄粗細同樣影響這散熱效果，綜合考慮散熱器的制造工藝和成本鰭片設計能夠形成一定的高低差，同時鰭片與基體的連接處厚度要大于鰭片的末端，厚度由厚變細均勻遞減會得到更佳經濟實惠的散熱效果;下面仍然是利用相關軟件對不同的兩種封裝形式的LED光源和散熱進行熱分析模擬（圖三為點陣SMD路燈模組、圖四為COB路燈模組），以期達到性價比更高以及散熱效果更加合理的散熱器結構。

4 結語

為有效解決大功率LED因溫度過高導致的光效低以及壽命延長等問題，本文深入分析了LED路燈安裝的環境和其散熱效果的關系和影響，重視鋁基板的設計和燈具散熱結構的設計，以期提供更好的散熱設計解決方案。

參考文獻：

[1]劉杰， 樊嘉杰， 王平，等. 基于Fluent的LED路燈模組散熱仿真設計[J]. 照明工程學報， 2019， 030（001）：56-63，103.

[2]張征宇. 大功率LED散熱結構研究[J]. 電子測試， 2017， 368（10）：39-40.

[3]張良. 純電動汽車鋰離子電池的熱分析及散熱結構設計[D]. 2017.