LED照明灯具的结构设计

陈紫罡

（厦门信达智慧物联网技术服务有限公司， 福建 厦门 361000）

在现代照明技术领域中，LED占有十分重要的地位，LED照明灯具在各个领域中的应用，为社会生产及民众的生活提供了巨大的支持。随着各个领域对照明灯功能性及个性化要求的增加，传统设计理念下LED灯具产品的不足也暴露出来。为此，有必要结合LED照明技术的发展现状，以及相关灯具产品的市场需求，对LED照明灯具结构设计的创新思路及路径开展进一步探究。

1 LED照明灯具结构设计的必要性

做好LED照明灯具结构设计质量把控及理念创新的必要性和意义，主要体现在以下几个方面。

其一，是适应市场及技术发展趋势的必要路径。现代LED技术条件下，LED灯具工艺呈现集约化特征，LED灯具体积越来越小，因此，结构设计需要适应新的工艺条件[1]。同时，如今的LED灯具应用场景越来越复杂，传统单一的结构设计无法满足实际应用需求。通过结构设计优化，才能让LED灯具适应技术发展趋势，满足市场需求[2]。

其二，是提升灯具性能、保证安全的关键。在LED灯具的结构设计中，涉及驱动电源、支架、透镜、散热器以及相关配套元件的空间布局和细节设计，通过科学设计可以为光源提供良好的运行环境，进一步发挥其照明优势[3]。同时，通过科学的散热结构设计，还可以提升其散热性能，保证灯具运行安全和稳定。

其三，满足个性化及艺术审美需求。现代LED灯具已经成为城市建设及民众生活中不可或缺的部分，无论是从最直接的照明需求出发，还是从艺术审美的角度出发，都需要对LED结构进行创新设计[4]。简单来说，现代LED 灯具的结构设计将融入艺术设计理念，以满足人们个性化的功能需求及多样化的艺术审美需求，如景观灯、庭院灯。

2 LED灯具结构设计的问题及策略分析

2.1 外观设计问题

LED照明灯具光源为单向性，所以在灯具外观造型及材料选择方面容易受到限制。如何在LED技术发展进程和满足多样化需求方面做好平衡，成为现代设计单位需要思考的重点问题。同时，多数应用场景下都要求LED照明灯具达到IP65防护等级要求，同时又要兼顾流线型外观。为此，需要综合灯具的实际使用场景需求，对灯具的内部构件进行优化，将散热系统、密封结构和外层装饰结构有机结合起来，在不影响实际功能性的基础上，提升灯具美观度。

2.2 驱动电源设计问题

现有LED照明灯具的驱动电源一般是由恒流供电，即通过线性或开关型DC/DC稳压器结合的反馈电路，为灯具提供稳定的电力。在驱动电源实际设计中通常会面临诸多复杂的问题，要做好灯具功率、散热、能耗等方面的平衡。

针对LED灯具驱动电源的设计问题，首先应以保证灯具可靠性为基本要求，使用高效率驱动。高效率支持下的灯具损耗会更低，很大程度上减少了温度的变化，并且可以延缓灯具光衰。同时，在设计灯具电路时，加入浪涌保护，在电路异常波动时使灯具免受损伤。在大型LED灯组系统的结构设计中，还应加入温度负反馈，避免灯具温度过高而引起能耗及安全问题。另外，电源设计中应做好散热和防水、防潮之间的平衡，尤其是在露天运行环境下工作的LED灯具，其防水防潮设计更应引起重视。最后，在LED灯具的外部结构设计中，应选择隔热性能好、耐极端温度的材料，充分保证驱动电源及相关组件稳定安全[5]。

2.3 二次光学设计问题

在现代LED 灯具设计中，二次光学设计尤其重要，关系到灯具的呈现效果及运行稳定性。在这方面的设计中，需要解决的问题较多，包括发光器的光通量、出光角度大小、光强分布等。除此之外，提高光能利用率、节能降耗也是二次光学设计中需要解决的关键问题。

在LED灯具二次光学设计方面，主要根据灯具实际光照范围和配光曲线，对光线路径及空间传输逻辑进行二次设计。不过该方法通常只能解决基本的使用问题，在节能增效方面的价值并不是特别高。目前，业界有专家深入到LED灯具的发光原理和现有结构体系之中，探寻二次设计的创新思路。

3 LED灯具结构设计的要点及策略——以散热设计为例

3.1 灯具结构的热分析

从LED灯具的基本结构及运行逻辑来看，热量在热流路径上遇到的阻力，反映的是各组件或材料之间的传热能力。业界将1 W热量所造成的温升程度称为热阻，数值单位为℃/W。通过将热功耗和热阻值相乘，可以得到热传递路径上的温升。在LED工作过程中，涉及的热传递方式主要包括对流、辐射、传导等。其中，不同介质之间的传导是主要方式，因此，在分析LED灯具结构热动态特征时，主要考虑热传导状态下的散热效果。热量在灯具中传递时经过了不同的介质，介质之间的交界面对热流产生热阻，而介质之间的温差以及本身比热容的大小，都会影响热传递的效率。针对该问题的处理，通常可以增加介质之间的接触压力，减少因缝隙或压力不足造成的热传递效率减缓的情况，或在介质交界面加入高导热能力的材料，如导热硅胶垫，导热硅脂等。

3.2 灯具结构散热设计思路

从LED灯具的工作特征及热传递特征分析来看，提升其结构散热的措施主要有两个，其一是提升散热模块的导热效率，其二是提升易受影响组件和易热组件之间的隔热性。从散热模块的角度来看，设计时需要满足3个要求，即热阻小、吸热快、去热快。为降低散热模块的热阻，需要将散热片和LED 模块紧密结合，减少缝隙。但是，从当下的加工工艺条件来看，LED模块和散热片之间肯定存在一定的间隙，可以使用热阻比较低的材料填充这个间隙，但绝大多数导热材料热阻要高于金属材料，无法彻底解决这一问题。为此，要结合科学的设计及现代工艺，提升散热片吸热底的平整度，配合导热材料，达到“热阻小”的要求。为了提升散热片的吸热性能，通常要求吸热底有比较出色的横向热传导性能。在设计时优先保证吸热底厚度足够大，结合LED模块安装孔位进行加筋处理，在提升其吸热性的同时也保证了灯具的整体性和机械可靠性。“去热快”的关键在于让LED灯具散热片吸收的热量可以被迅速传递至鳍片。通常情况下，LED灯具鳍片置于空气中，以达到快速散热的效果，如图1所示。

图1 LED灯具散热结构设计示意图

3.3 材料选择

LED灯具的结构设计中，材料选择也是非常重要的部分，尤其是科学的材料选型及合理的材料搭配，是进一步提升装置散热性能的关键。LED灯具散热材料的选择需要遵循3个原则，即导热性能佳、性价比高、易于加工。综合工业制造领域中常见的各类材料特性分析可以发现，纯铝材虽然具有很好的热传导性能，但是其硬度较小，无法适应比较复杂的应用环境，无法满足各种加工工艺需求，性价比并非最高。为此，需要结合LED灯具实际应用情况，选择合适的铝合金材料作为散热装置的主要材料。在实际应用中，AA6063铝合金材料具有很好的热传导性能，同时其易于加工、价格也比较合理，在各类散热元件的加工制造中被大量应用。除此之外，AA1050延展性比较好，可以通过冲压工艺制造较细、较薄的散热鳍片，ADC12熔点低，可塑性好，可通过压铸工艺制造各种造型散热器。

3.4 工艺选择

针对LED 散热结构的设计，除了做好材料选型外，还要结合实际应用需求，对散热结构工艺进行选择。例如，针对铝合金材料的加工，铝挤压工艺比较常见。该工艺下一般可以使用AA6063铝合金材料，可以有效控制工艺质量和成本。但是，这一材料及工艺组合对成品壁厚、长度和截面有一定要求，无法满足各种结构及造型设计需求，如图2所示。除该工艺外，铝压铸也较为常用，该工艺可以满足多种造型的散热构件制造，适应多样化的LED灯具造型设计，如图3所示。不过，压铸工艺涉及开模环节，生产成本控制难度较高。

图2 铝挤压工艺散热结构示意图

图3 铝压铸工艺散热结构示意图

总的来讲，关于LED散热结构设计的工艺选择，应综合分析材料类型、灯具基础特征以及生产规模，从散热性能、耐用性、经济性等角度出发，做出科学决策。

4 结论

综上所述，在现代社会经济迅速发展的背景下，各个领域对LED灯具的应用提出了更加多样化的需求。为了满足功能性、个性化、环保性、安全性等多方面的需求，要深刻认识到LED灯具结构设计优化与创新的价值。为此，结合LED灯具的技术条件、应用场景，对各个主要构件的相对位置、空间布局进行优化，在此基础上，做好驱动电源、散热结构及外观结构的设计。设计过程中秉承实事求是和积极创新的理念，从结构布局、材料选型、工艺选择等角度，充分满足LED灯具稳定、高效、低耗的运行需求，为社会的健康发展作出应有贡献。