LED路灯的散热设计及可靠性研究

杨 辉 杨维明 陈建新 刘国富

(1.湖北大学物理学与电子技术学院，湖北武汉 430062;2.北京工业大学光电实验室，北京 100124)

1 引言

随着大功率白光LED的技术革新，LED在照明领域的应用也越来越广泛。2010年10月，国务院正式发布《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，将半导体照明列为七大战略新兴产业的重要发展方向，明确了半导体照明产业在国家层面上的政策导向。在道路照明方面的应用也变得尤为关注。但是，基于目前的半导体制造技术，LED输入功率中只有大约30%的能量转化为光能，其他的则转化为热能［1］。因此当多颗LED集中工作时，将会产生巨大的热量。若不能使这些热量尽快且有效地耗散，随之而来的热效应将会变得非常明显，进而结温上升，减少芯片射出的光子，使色温质量降低，加快芯片老化，缩短LED寿命，且由于LED芯片输入功率的不断提高，因散热问题牵扯到光、电、色等一系列的问题显得更加突出［2］，因此对LED路灯散热结构进行热分析和优化设计就变得异常关键。

2 散热技术研究现状

LED的热仅通过热传导的方式散发，它不像传统光源大部分的热是靠热辐射的方式散发出去的，经过试验证明，对LED器件来说，温升严重影响LED的性能，造成光衰、色温变化、寿命降低等不利情况，经国内外的大量研究表明，LED发光芯片的结温和LED的出光量成反比［3］。因此要想保证LED正常工作，需要及时将LED工作时产生的热传导出去，散热设计对LED光源的性能起着至关重要的作用，良好的散热设计可以大幅度地延长LED的使用寿命。对于大功率LED路灯来说，目前多采用的方法有:回路热管散热，均温板加鳍片，加装电扇强制散热，自然对流散热等。

加装风扇强制散热方式系统复杂、可靠性低，热管和回路热管散热方式成本高。而路灯在户外夜间使用、散热面位于侧上面以及体型受限制较小等有利于空气自然对流散热的优点，LED路灯尽可能选择自然对流散热方式。

为了提高散热效果，常采用导热性能好的材料作散热器。在常见的金属中，银的导热率最高，但是它的价格不菲。现在常用的散热器材料主要是铝和铜。铝价格便宜，密度小，好加工，导热性能良好。相比较而言，铜的导热率比铝的大，许多散热能力超强的散热器均采用纯铜打造。但铜材料价格昂贵、易氧化，加工成本高。为了降低成本LED路灯还是建议采用铝。

大功率LED作为光源固定于灯具上，LED的热量如果不能被及时有效地传导至外壳表面，则聚集的热量会使灯具散热板的温度急剧上升，导致LED温度升高，增加了LED失效的几率，造成LED光衰加剧，寿命缩短。由于空气的导热系数很低，在安装LED时，要保证接触面平整，接触良好，并且在LED基板底部或散热片表面均匀、适量地涂敷一层导热材料。通常选用导热系数较高的导热硅脂、导热硅胶等材料。试验表明，LED灯具系统上加入导热涂层能提高LED系统的散热效率，导热系数越高的材料，散热效果越好［4］。

3 LED散热设计

根据要求其结温最高温度控制在125℃，使其在环境温度最高为45℃的情况下能正常。其中LED自身热阻 Rj－g为 12℃ /W，导热硅脂热阻为8℃/W，LED安装于3cm×3cm的金属线路板上，热阻为45℃/W［5］，当 LED 总功率为1.17 W(电流为350mA，电压为 3.35V)时，发热功率为0.82W(按70%发热计算)，计算得散热器的最大热阻约为15℃/W。为此设计了3种符合要求的散热器，如图1所示。散热器宽均为 25mm，基座厚度为4mm，翅片高度定义为30mm。

图1 三种散热器图形Fig.1 Three kinds of radiator

表1 三种散热器实验数据Table 1 Three radiator experimental data

从表1中可以看出，B型的热阻要比A型的热阻低，C型的热阻要比B型的热阻低，可见T型翅片的热阻比矩形翅片的热阻小，三角形翅片的热阻比T型翅片的热阻低。还可以看出散热器的热阻与其散热面积有关，相同条件下散热面积越大，热阻越低。为了加大散热面积可增加肋板数和肋板高度，也可以在翅片上加设锯齿状或半圆形波浪纹。

为了研究肋板高度与热阻的关系，我们在其他条件和散热器 B相同的条件下，只改变肋板高度，分析其热阻变化，结果见表2。

表2 不同翅片高度的实验数据Table 2 The experimental data of the different fin height

当翅片高度小于30mm时，其热阻随翅片高度的增加线形下降，翅片高度超过30mm时其热阻随翅片高度的增加缓慢下降。因此在设计散热器时，要合理设计翅片高度，并不是翅片越高散热效果越好。综合分析重量、散热面积和热阻等诸多因素的作用，我们可以看出当翅片高度设计为30mm时是比较理想的结果。同时上面的设计与这里的分析结果也是一致的。

4 LED路灯的可靠性研究

针对自主研发的一款LED路灯，进行老化试验，研究LED光源在路灯照明应用中的可靠性。对灯具条进行老化实验，操作简单方便，节约成本，将其与同一厂家的LED光源 (配有良好散热装置)同时老化，对比实验结果，从而分析灯具条的散热效果能否保证LED光源的高可靠性。选用某公司封装的1W白光LED作为试验样本，样本数量为10颗，编号为1～10，这十颗LED经过初始测试，具有较好的一致性，可以满足试验的要求。1、2、3、4号LED，四颗串联后组装成LED灯具条;5、6、7、8号LED，四颗串联后安装于良好散热板上，9、10号LED做为校正测试仪器备用。试验前，分别对1—2—3—4号LED串和5—6—7—8号LED串进行光色电测试，老化试验为常温电应力试验，将两组LED串联装置同时通入700mA直流进行老化。测试结果如图2、图3、图4所示。

图2 光通量随老化时间变化趋势Fig.2 The trend of Luminous flux with aging time

图3 色温随老化时间变化趋势Fig.3 The trend of Color temperature with aging time

图4 发光效率随老化时间变化趋势Fig.4 The trend of the luminous efficiency with aging time

以上试验证明，此款LED路灯的散热板以及安装方式能够满足LED光源的散热要求，可以保证LED长期稳定的工作。需要注意的是灯具条的设计以及反光碗的使用，要优化灯具结构，尽量减少因灯具的光吸收造成的能量损耗，提高灯具效率。

5 总结

首先分析了翅片高度、散热片面积对LED性能的影响，紧接着根据实验室的现有条件，设计了针对LED路灯的老化实验，实验结果表明:初期光通量的减少主要是因为灯具中对光的吸收或部分部件挡光造成的，而后期光衰则主要是因为大功率LED光源的自身衰减，这个衰减程度是与光源LED的产品性能有直接关系的，因此，设计LED路灯要选择可靠性高的大功率LED光源，并且在设计灯具时，要尽量减少挡光、杂散光等现象，在LED光源与灯具散热板接触处，使用导热系数高的材料。

［1］施克孝.LED灯具的散热——LED知识 (八).演艺科技灯光技术，2011，12:13～14.

［2］谷青.发光二极管LED道路照明是否已经成为现实——介绍国外的看法.光源与照明，2008，4:12～13.

［3］韩建伟，刘行仁.节能LED路灯.中国照明电器，2009，(1):17～21.

［4］Winston R.，Minano J C.，Benitez P.et al.Nonimaging optics［M］.Burlington:ElsevierAcademic Press，2005.

［5］GeLcore J P.Thermal challenges facing new generation light emitting diodes(LEDs)for lighting applications.Proc.of SPIE，2002，4776:215.