LED路灯热分析及散热结构设计研究

陈伟宜

摘 要：LED是现阶段被广泛应用的照明系统设备，属于第四代照明光源。但是其在光电转化过程当中存在一定的缺点，转化率比较低，大部分电能向热能进行转化，因此LED需要解决和提高散热能力等问题。对于大功率的LED来说，要想实现产业化，需要对这一问题进行解决，完善自身的关键技术。本文深入分析LED灯具特别是市场体量巨大的LED路灯的散热相关问题，具体从多个方面探讨热源在灯具中的产生和聚集的问题，并从灯具结构设计的角度，深入探讨和解决大功率LED路灯散热的方法。

关键词：LED路灯;散热;结构设计

LED芯片由于光电转化率不高，大部分进行热能转化，只有15%-20%的电能向光能进行输出，所以LED在工作过程当中会产生很多热量，如果不能及时耗散这些热量，就会导致LED结温上升，热效应明显，芯片出射的光子也会减少，使色温质量下降，缩短期间寿命，也会加快芯片的老化。LED芯片的输出效率也会出现增高，这就会涉及到光，电，色等其他一些问题，造成其他问题突出。所以，优化设计整个灯具的设计结构并进行热分析是非常关键的。

1 LED发光电气件设计分析和探讨

基本上所有的LED灯具上的发光二极管都要通过PCB板作为载体，LED工作所产生的热量最先是传导到PCB板上的，就目前而言，铝制线路板（铝基板）是LED灯具中最被广泛使用的PCB板;根据热量传递的原理，热量是从温度高的物体传递到温度低的物体上，因此在进行LED发光电气件设计过程当中，需要对结温进行良好的控制，需要考虑到散热设计方面问题，首先需要充分了解铝基板如何设计能更有利于LED的散热。第一，LED排布越紧密（LED之间的间距小）热源越集中，中心LED的温度就越高，在条件允许的情况下，LED尽量分散布置，为LED周边提供更多空间的相对低温的介质，有利于将发射的热量更快向外壳进行传递;其次，铝基板上面的铜箔（电路）也是可以直观传导热量重要一环，纯铜金属的导热系数为381W/（m·K），仅次于纯银金属，LED是焊接于铜箔之上的，与铜箔这个载体是唯一接触的，热量最先到达铜箔层，因此满足介电性能和爬电距离的情况下，铜箔设计面积覆盖越大越好（铜箔增加基本上不影响铝基板的价格），可以让热量更快的传导到铝基板温度低的位置，是的整片铝基板更佳的均匀;最后，相同总功率下，LED颗数也是影响节温的一个比较重要的因素，单颗LED功率最直观的显现在于工作时电流大小，根据焦耳定律Q=I2Rt，也就说明，工作电流越小，LED产生的热量是成平方量级递减，LED工作的温度也就越低。本文通过利用相关软件分析某公司LED路灯结构，并进行热分析以及参数优化设计实践对比。对不同的铝基板设计在相同的LED路灯结构情况下工作时的温度常变化情况进行模拟分析（图一、图二），最终得到良好的优化的铝基板发光器件的设计，确保散热效果能够满足要求，并达到控制成本，减少散热器用料等方面的目的。

2 LED路灯灯具散热问题分析

LED路灯作为所有灯具体量最大的灯具之一，与交通出行息息相关，对于路灯来说，除了机械性能与防护性能外，最重要的当属灯具的热性能了，接下来将着重探讨路灯的使用环境以及环境对路灯热性能的影响，LED路灯一般使用于户外6米至15米的高空中，可以相应的理解到，在这种高度的环境下，空气对流是相对比地面环境强的，因此要充分的利用空气对流对LED路灯散热的辅助作用，目前LED路灯的主要的结构设计存在两个不同的方式;一体式主体散热壳体和模组外包壳体两种，这两种方式，都要考虑到空气对流的主要方向为沿马路方向，同时热气流密度本身就比外界冷空气低，因此热气流散发都为竖直向上的方向，综上从外部环境影响上就要充分考虑灯具上的散热器鳍片布置方向和对流透气通孔位置的设计了。

LED路灯散热主要通过传导，辐射以及对流散热这三种途径进行。这三种方式具有不同的使用环境和效果，在进行LED灯具散热结构设计之前，需要充分考虑到上述的使用环境和自身的热原理，根据该环境选出合理的散热方式，最终确定灯具的散热结构，只有这样才能够设计出良好的LED路灯。但由于一些商家为了吸引顾客，更多地注重外观设计，从而忽略了最基本的散热结构设计，单单纯通过增加散热面积来解決散热问题。再加上使用者往往不会特别重视这一问题，所以造成LED灯具结构散热设计过程会存在一些问题。现阶段，LED路灯灯具结构和工艺让人眼花缭乱，具有各种各样的形式，那么我们在设计LED灯具过程当中需要考虑到其功能，并且考虑到设计所适用的环境，重点要做好LED路灯散热结构设计。

3 LED路灯的散热解决方案

设计LED路灯前首先要对所使用的白光光源LED内部结构有充分的了解，才能进行灯体结构的散热设计，因为目前所使用的白光封装LED的种类很多，大体上有两个比较大的类别，区别在于是单颗点阵的SMD封装、还是集成封装（COB）光源，两种的光源方式散热结构设计虽然原理相同，但是在局部设计上还是有些许不同的。

在上文我们分析过Led内部热沉在传递给铝基板的影响因素的改善方案;而铝基板的热量传递给散热器，再从散热器或者外壳散发至周边环境这一热交换的过程是我们接下来的要详细探讨的。热量从铝基板到散热器再到周围环境可以理解为储热—导热—散热这么一过程。目前路灯的散热器材料和散热结构制造工艺多种多样，本文就以目前市场上最为常见的挤压铝型材散热器来深入探讨散热设计思路和方案。首先，LED路灯初点时，LED温度急剧上升，整片铝基板吸收了来自LED产生的绝大多数热量，这会导致铝基板急剧升温，那么散热器上与铝基板接触的部分，这里称之为散热器基体，基体的厚度直接影响到能够快速吸收热量的多少，也会影响热稳态的时间，因此散热器的基体不宜太薄，如果太薄，对于急速散发出来的热量无法及时吸收，会使LED短时间的节温过高，长久使用反复热冲击下会导致LED寿命减少、光衰加快，甚至直接烧毁。散热器基体吸收热量的这个过程就称为储热;对于集成封装（COB）而言，储热尤为重要，因为COB的LED全部集中于一个面积较小的支架内，热量十分集中，相互的热传导和扩散效果不如点阵排布的SMD的LED好。其次，当散热器基体不停的接受着来自铝基板的热量的同时，在制造工艺和成本允许的情况下，适当增加多一些热通道，可以使更多的热量更快的传递到散热器鳍片或者外壳上，而且在设计热通道时，还要尽量使LED正对散热通道，这样会让LED产生的热量能更迅速的通过热通道传递到散热器鳍片上，减少热量传递过程所遇到的热阻;这一过程称为导热。最后，就是散热器鳍片的设计，多数人都清楚，散热器鳍片面积越大，与外界空气热交换的面积就越大，散热效果越好，其实这只是其中一个因素，鳍片排列的密度、高低差、厚薄粗细同样影响这散热效果，综合考虑散热器的制造工艺和成本鳍片设计能够形成一定的高低差，同时鳍片与基体的连接处厚度要大于鳍片的末端，厚度由厚变细均匀递减会得到更佳经济实惠的散热效果;下面仍然是利用相关软件对不同的两种封装形式的LED光源和散热进行热分析模拟（图三为点阵SMD路灯模组、图四为COB路灯模组），以期达到性价比更高以及散热效果更加合理的散热器结构。

4 结语

为有效解决大功率LED因温度过高导致的光效低以及寿命延长等问题，本文深入分析了LED路灯安装的环境和其散热效果的关系和影响，重视铝基板的设计和灯具散热结构的设计，以期提供更好的散热设计解决方案。

参考文献：

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