道路照明中大功率LED路灯散热方案的研究
大功率LED 路灯散热分析与设计
大功率LED 路灯散热分析与设计摘要：新兴的大功率LED 以其高效、节能、长寿命、绿色环保等显著特点，成为21世纪全球最热门、最瞩目的新光源。
LED 的散热问题是攻克大功率照明灯具的关键，在大功率ＬＥＤ的性能和路灯设计的关键技术中，散热设计是非常重要的环节，散热设计的好坏将直接关系到ＬＥＤ路灯的实际应用。
关键词：大功率LED；路灯；散热；设计Abstract: the new high power LED to its high efficiency, energy saving, the long life, the green environmental protection, and other characteristics, becoming the world’s most popular, the most outstanding new light source. The heat is LED to conquer high-power lighting lamps key, in high power LED performance and lamp design key technology, thermal design is very important link, the stand or fall of cooling design will be directly related to the LED the actual application of the street lamp.Keywords: high power LED; Street lamps; Heat; design一、引言随着国内外产业发展迅猛，ＬＥＤ作为新一代绿色环保型固体照明光源，已经成为人们关注的焦点。
但其成本和散热问题始终是困扰LED发展和普及的两大难题。
其中大功率LED 路灯的寿命除了电源和灯的本身质量以外，散热问题是最为重点。
大功率LED路灯散热分析与设计
大功率LED路灯散热分析与设计LED(发光二极管)是一种直接将电能转换为光能的固态光源,近年来逐渐在通用照明领域占据一席之地,其典型产品之一便是大功率LED路灯,但其工作时约80%的输入电功率转换为热,若该部分热量不能及时散发,LED结温将不断升高,现有不少关于LED路灯因结温过高而引起死灯的报道,因此对LED路灯进行散热研究是十分有意义的。
本文首先介绍LED路灯的各组成模块,后续工作主要集中在对典型大功率LED路灯的散热分析和设计研究上。
文中建立了一种估算LED路灯热沉温度分布的多芯片热阻网络模型,主要介绍了多芯片扩散热阻的计算方法,同时将用该模型计算得出的典型LED路灯热沉的温度分布与实验测量的温度值进行对比,结果显示两种方法得到的结果一致性较高,误差较小,证明该热阻网络模型在工程设计上能快速估算大功率LED路灯的温度分布。
分析该热阻模型发现,扩散热阻和对流换热热阻对整灯热阻的影响较大。
为减小扩散热阻,文中提出了一种工作在小尺寸热源和大尺寸热沉的Vapor Chamber热扩散器基板结构。
该结构中,液体介质吸收热源的热量相变为气体,气体介质在热沉端放热凝结成液态,液体介质在多孔介质的毛细作用下均匀的回流至热源端。
加工制作模型验证该结构的可行性,结果初步表明该结构能快速均匀地将热量从热源传递至热沉,与设计想法相符。
为减小对流换热热阻,文中提出了基于最小热阻理论的优化热沉翅片尺寸的设计方法,基于该种设计方法制作了一款112WLED路灯的热沉,并进行温度测试。
当环境温度为25℃时,实验测量得热沉与环境间的平均温差为19℃,设计预期该平均温差为18℃,结果表明基于最小热阻理论的路灯热沉翅片尺寸的设计方法是可行的且该款LED路灯散热效果良好。
论文最后介绍了芯片、光学、热学、电学四合一的LED模块化封装结构。
大功率LED路灯的散热结构设计和参数优化(精)
大功率LED路灯的散热结构设计和参数优化摘要：为了达到对大功率LED路灯产品既降低制造成本(散热器质量)又加快散热的目的，优化了LED路灯散热器结构。
在对原有结构参数化建模及热分析的基础上，采用正交试验分析了散热器中平板厚度、翅片厚度、翅片间距、翅片高度4因素对产品质量与散热效果的影响，并研究了同一结构下热传导与热对流两种方式对散热的影响，最终得出了一个较为理想的优化结果。
数据结果表明，改进后的散热器最高温度较原始模型下降了11℃以上，同时，质量摘要：为了达到对大功率LED路灯产品既降低制造成本(散热器质量)又加快散热的目的，优化了LED路灯散热器结构。
在对原有结构参数化建模及热分析的基础上，采用正交试验分析了散热器中平板厚度、翅片厚度、翅片间距、翅片高度4因素对产品质量与散热效果的影响，并研究了同一结构下热传导与热对流两种方式对散热的影响，最终得出了一个较为理想的优化结果。
数据结果表明，改进后的散热器最高温度较原始模型下降了11℃以上，同时，质量降低了约15．3％。
关键词：大功率LED路灯；热分析；散热结构；ANSYS目前，LED照明产品正在逐渐取代传统的照明灯具成为主流照明产品。
对于高功率的LED路灯而言，光效是灯具设计师关注的重点，然而，LED模组的低结温是实现长寿命和高光效的至关因素。
现实中，有很多关于路灯早期失效的报道，称之为死灯，这对公共照明来说是一个极大的制约。
因此，如何降低大功率LED产品的结温是研究热点问题之一。
众所周知，LED光电转换效率制约在15％～20％，其余的电能几乎全部转换成热能，因此在LED产品工作时，将会产生大量的热量。
当多个LED密集排列组成路灯时，热量的聚集效应更为严重。
若不将此热量尽快散出，随之而来的热效应将非常明显。
这将会引起芯片内部热量聚集，导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。
本文利用有限元分析软件ANSYS对LED路灯进行了热分析，对其散热结构进行了设计与优化，达到了降低制造成本又加快散热的效果。
大功率LED路灯散热模拟与优化
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结层的厚度及环境温度等， 进行了详细分析 ， 根据 铝散热 １０ ８ ２ ２ ５ ２２ ０ ４ 片 图 １ 大 功 率 Ｌ Ｄ路 灯 示 意 图（／ 分 ） Ｅ １ ３部 分析结果对昕没计的模型进行了优化， 在经济和效 果之间达到了较好的平衡 ，获得 了较好的优化效 内放出的热量、 密度、 Ｐ ｃ比热容、 热率 ， Ｐ 特 、 果。 Ｃ 及 均可以 是变量； ２大功率 Ｌ Ｄ器件建模 Ｅ ②第二类边界条件 ２ 物理模型 １ ｑ ＝常数 本文 所建 立数值模型为 实际 模型的 １ ， ／ 结构 ３ 示 意图如 １ 所示 。 式中： 为热流密度； ， 由于灯罩部分基本不参与传热 ，所以在热分 ③ 第三类 边 条件 析 中去掉不考 虑。由图 １ 可知 ， 芯片 和铜 热沉 之间 ｗ 一 用银胶 填充 ，铜热沉 和铝散热 片之间 由热管连接 ， 。 （） 。 、， Ｊ ３ 热管的 蒸发端接铜热沉， 冷凝端接铝散热片。为了 式 中： ｈ对流换热系数 、 为散热器表面温 ｆ ｂ 图 ２ 散 热模 型 的 网格 划分 减小热管与铜热沉及铝散热片之间的接触热阻， 连 度、 为环境温度 、 ｎ散热器表面的法线方向、 接问隙用银胶填充。 Ａ为导热率； 本文中的徼 中采用了散热陛能较好的 ④对流换 热量 重力热管结构。由于热管依靠工作液体的汽 、 液相 散热结 构的对流换 热量 由以下公 ’ 算 变传热， 热阻很小， 因此具有很高的导热能力 ， 因而 ｗ＝ ｈ （ ） ａｔ ．一 热 管具有优 良的等温 陛。基 于热管 的等温 ｌ特 ， 生 在建立数值馍型时对其ｉ 了简化， 亍 把热管简化为 式中， ｈ对流换热系数、 ｆ为散热器表面温 个等温的物体。由于这个简化， 对于热管所连接 度 、 为 环境 温度 、Ａ为铝散 热 片总 的散 热 面积 、 鳖 ： ｆ ； ： ： ： ： 拣 散热结构的上下两个部分分别建立了数值模型 ， 在 Ｗ为散 热量 。 ３ 模 型 温 度 场 分 布 求解计算时， 热管与其他物体接触的面没定为等温 ３Ｌ Ｄ稳态温度场分析 Ｅ 面。 为了保证器件的寿命， 一般要求 Ｌ Ｄ芯片结 其利用率。 Ｅ 本文中， 由于散 热结 构 的特点 ， Ｇ ｍｂｔ 在 ａ ｉ软 温在 １０Ｃ以下 ， ２￣ 相关研究表明， 随着 Ｐ Ｎ结的升 ４优化分析 件中建立 的模 型为实 际结构的 ｌ 睁 对各部分采 用 温 ， ／。 ３ ４１环境温度因素分析 ． 白光 Ｌ Ｄ器件 的发 光波长将 发生红移 。 计资 Ｅ 统 Ｈ ｘＷｅｇ、 ｏ ｅ方式划分网格如图 ２所示 ， ｅ／ ｄｅｃ ｐｒ ｏ 各 料表明 ： １０Ｃ 在 ０ ￣的温度下 ， 可以红移 ４ ９ ｍ， 波长 －ｎ 当环境温度变化时，散热结构的最大散热功 部分 的网 格 数 目为 ， 片 ２５ 银胶 ２ ５ 铜热 沉 从而导致荧光粉吸收率下降，总的发光强度会减 率也会变化， ４ 芯 ２， ２， 图 给出了这种变化的关系。由图 ４ ５４， ４ ０铝散热片 ９ ８ ０ ３ ４ 。模型中各部分的物理尺寸 少 ， 白光色度变差。在室温附近 温度每升高 ＩＣ， 可知 当环 境温 度为 Ｏ ￣ ℃时 ． 热结 构的散 热功率 为 散 如表 １ 。对于热管与铜热沉之间的银胶填充物 ， 在 Ｌ Ｄ的发光强 度会相应地 减少 １ 右。为 了保 证 １６ 而当环境温度变为 ３ ％时， ４ Ｗ， ０ 此时散热结构 Ｅ ％左 模 型 中为 内半 径 为 ４ ｍ厚 度 为 ０ ２ ａ ｒ ． ｍｍ 的 圆柱 Ｌ Ｄ芯片的寿命和使用性能，在此文中取热管工 的散热功率为 ８ Ｗ， ０ Ｅ ４ 也能够满足大功率 Ｌ Ｄ路灯 Ｅ 体， 其网格数目为 ５ ０ ６ 。热管与铝散热片之间的银 作温度为 ７ ℃， 环境温度的改变对散热结构的散 Ｏ 设环境空气温度为 ３℃， ０ 此时利用 散热要求。可见， 胶填充物，在模型中分别为内半径为 ４ ｍ厚度为 Ｆｕｎ 求解器对所建立的模型进行求解 ， ａ ｒ ｌｅｔ 计算采用 热功率的影响非常大， 所以在确定散热结构的散热 ０ ２ ｍ 的半圆柱体 ， ．ｍ ０ 其网格数 目为 ２ ０ ８。 二阶收敛方式。得到了模型的稳态温度场 ， 如图 ３ 功率时应充分考虑大功率 Ｌ Ｄ路灯的实际工作环 Ｅ 模型中， 散热片壁面为自然对流换热 ， 芯片模 所示。 图 ３ 由 可知 ， 模型中， Ｄ Ｌ 芯片的最高温度为 境温度的影响。 Ｅ 型的发光 面为定热流壁 面 ， 其他封 闭在灯 罩中 的壁 ７ ． ２ ℃，此时所建立散热模型的散热功率为 ８Ｗ， ６ ４ ４ 热管数 目因素分析 ２ 面为绝热面。 铝散热片与空气的对流换热可应用大 大于发热功率 ５ Ｗ， 图５ 给出了在环境空气温度为 ３ ℃、 ０ 采用不 ０ 可以满足散热要求。 空间的自然对流处理∞ 根据计算结果 ， ， 取保守数 铜材料是热的良导体 ，模型中铜热沉的厚度 同热管数 目时， 散热结构的最大散热功率。由图可 值， 自然对流 换热系数取 ７ ｗ ｍ・ ）模 型中各个 为 １ｍｍ， ５ 。 Ｋ 热管的数目的增多 ， 可以使散热结构在环 ８ 靠近芯片的下半部分， 温度梯度很大； 而 以得出， 封装材料的导热系数 见表 １ 。 远离芯片的上半部分温度梯度很小， 几乎是等温分 境温度一定的晴况下 ， 散热功率增大。 采用 ｌ Ｏ根热 ２ 数 ． ２ 根热管时， 所建立的散热数值模型结构可 布，表明此部分铜热沉在散热结构中作用很小， 需 管相比４ 计算过程所涉及的控制方程 口 下。 １ 要对铜热沉的尺 寸进行优化。 导热银胶厚 ０ ２ ｍ 以增加约 １Ｗ 的散热功率，而对于整个大功率 ．ｍ ， ０ （ 量方程 １ 因其 导热 系数 比较 小 ， 温度梯度 比较 大 ， 其 是影 响 Ｌ Ｄ路灯散 热结构增加 ３ Ｗ 的散热功率 。图 ６ Ｅ ３ 给 ｏ ｔ ｏ ｏ ） （ ｔ ０ ｔ ＋ ｏ Ａｏ ） Ｏ） ｔ＋ 热管数目 ， 时 芯片的最高温度。由 图 模型热阻的重要因素 ， 需对其进行着重分析。铝散 出了采用不同 ＋ （ （ Ａ Ａ 热片尺寸较大， 由于热源（ 此时为热管得冷凝端 ） 相 ６可知 ， 热管数 目的增多， 对芯片的温度分布影响 Ｏ Ｏ ＇ Ｔ Ｘ ｏ ｙ ｏ ｙ ｏｚ （） １ 对集中在其 几何 中心 ，几何 中心温 度梯度 较大 ， 而 不大。因此应根据大功率 Ｌ Ｄ路灯的散热需要而 Ｅ 式中： 表示单位体积的导热体在单位时间 两端温度梯度很小 ， 应考虑热源分布的影响 ， 提高 确定热管数目。
LED路灯散热结构分析报告
LED路灯散热结构分析拜读了秦博核芯科技秦先生的《LED照明灯模块标准化的科学之路》一文，深受启发，LED灯具散热问题的确是业界的一大困扰，但是我们应该对待散热问题像庖丁解牛一样，充分的、一点一点的进行分析并加以认识，不能以点代面的来分析和解决。
我非常赞同秦先生对东芝和夏普LED灯结构的否定，本人也---------认为大厂是在制造一些噱头拉动LED应用产业走向错误的方向。
但也不能全盘否定，这种散热结构如果采用新型的散热材料也是可以达到散热目的的，高昂的价格是阻碍其推广的重要因素。
散热的途径分为传导、对流和辐射三种方式，其中传导效果最佳，对流次之，辐射较差，这是我们所熟知的。
在我们设计LED灯具散热结构的时候，首先要考虑的是LED灯具的使用环境，然后在这三种散热方式中寻找出适应于使用环境的最佳散热方式，也就是要根据环境因素考虑三种散热方式中哪一种或者哪几种散热方式是主要的，以确定灯具的散热结构。
只有这样，我们才能设计出一款好的LED灯具，这是设计LED灯具散热结构所需的前提条件。
但这也是很多人所遗忘和忽视的。
他们一味的增加散热面积，不断的设计出很有特色的散热结构外型，以吸引人们的眼球。
这个问题在我们LED产业界是普遍存在的问题，是我们产业发展的误区，是缺少真正的LED产业专家的标志。
目前LED灯具结构千变万化、形态各异，我不能一一举例来剖析，下面以LED路灯作为一个案例来分析其散热结构的优缺点。
LED路灯使用的环境：1、无遮拦的户外环境;2、8-12米高的灯杆上;3、在繁华的马路上。
首先在“无遮拦的户外环境”这个条件，说明LED路灯灯具使用场所没有防雨、防尘、防破坏等外部工程，因此要求LED路灯本身必须具备这些功能。
第二，“8-12米高的灯杆上”，说明LED路灯在外型、重量，甚至体积的设计时应有所考虑，外型新颖、重量轻、体积小的LED路灯将有很大的竞争力。
第三，“在繁华的马路上”，说明LED路灯的使用环境污染状况较为恶劣，在设计时要充分的考虑其积尘(LED路灯属于一种电子产品，由于静电的作用，会在表面吸附微小的灰尘颗粒，形成电子灰尘覆盖，降低散热效果)效应和抗腐蚀能力。
LED路灯散热问题全面解析
LED路灯散热问题全面解析
目前，很多人把主要的目光都放在了LED 的流明数上，而对LED 灯具的散热的关注较少。
实际上，LED 的流明数正在迅速的增加。
2006 年量产LED 的单瓦流明数已经达到50 流明，而且这一数值还在快速地增长。
与它对应的传热学理论体系已经成熟，我们可以使用的传热手段也基本明确：传导、对流、辐射和相变传热（例如热管）。
因此，在传热或者说散热问题上，我们
可以采取的措施是可见的、有限的。
根据光通量（流明）与辐射通量（瓦）的运算关系：其中，Km = 683 lm/w，是光通量的比例尺，是辐通量的比例尺。
也就是说1W 的辐通量在最理想的情况下（黑体辐射）可能产生683lm 光通量。
所以，即使LED 的光效达
到200lm/w，也不能将全部能量转化为光能输出，而其余的都转化为热能。
从长远看LED 灯具的散热问题将是一个长期存在的问题。
目前LED 路灯的散热方式主要有：自然对流散热、加装风扇强制散热、热管和回路热管散热等。
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。
而路灯具有户外夜间使用、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，所以LED 路灯建议尽可能
选择自然对流散热方式。
散热设计中可能存在的问题有：
1.散热翅片面积随意设定。
2.散热翅片布置方式不合理，灯具散热翅片的布置没有考虑到灯具的使用方式，影响到翅片效果的发挥。
3.强调热传导环节、忽视对流散热环节，尽管众多的厂家考虑了各种各样的措施：热管、回路热管、加导热矽脂等等，却没有认识到热量最终还是要依靠。
LED路灯的散热设计
LED路灯的散热设计首先，散热设计需要考虑合适的材料。
常见的散热材料有铝、铜等，因为它们具有良好的导热性能。
散热材料的选择需要综合考虑材料的热导率、成本以及加工性能等因素，以满足设计的要求。
其次，在散热设计中，散热片是非常重要的组成部分。
散热片的设计需要考虑到其表面积，以便更好地散热。
通常采用鳍片式设计，增加散热片与空气的接触面积，提高散热效率。
另外，散热片的设计还需要考虑安装的方便性和稳定性。
第三，优化散热设计中的散热模式是非常重要的。
常见的散热模式有自然对流散热和强制对流散热。
自然对流散热是指利用空气的自然流动来进行散热，适用于小功率的LED路灯。
而强制对流散热则需要通过安装风扇或散热风道等设备，增加空气的流动来进行散热，适用于大功率的LED路灯。
另外，散热设计还需要考虑散热系统的整体结构。
例如，设计合适的散热片排列方式，以最大限度地提高散热效率；设计合理的散热系统布局，避免热点集中，保持整体的散热均衡；设计合适的散热系统辅助设备，如散热风扇等。
此外，散热设计还需考虑外界环境因素。
例如，LED路灯安装环境的温度、湿度等条件都会影响LED的散热效果。
因此，在实际设计中需根据具体情况进行考虑和调整，以确保散热系统能够在各种环境条件下正常工作。
最后，散热设计还需要进行实验和测试验证。
通过对LED路灯进行温度测试、光通量测试等，来评估散热系统的性能和效果，以确保散热设计符合需求。
总之，LED路灯的散热设计非常重要，直接影响LED的寿命和性能。
在设计过程中，需要综合考虑材料选择、散热片设计、散热模式、散热系统结构以及外界环境因素等因素，以确保LED路灯能够稳定工作并发挥出最佳的性能。
大功率LED灯具散热技术解析
目前大功率LED灯具在市场上，还是十分紧俏的。
技术难题集中在散热：关系到寿命长短，光衰，所以有必要研究探讨一下。
首先针对LED产品的外在直接参数，展开讨论：温差大，散热器表面温度高—好？这么说法对不对？对此不能一概而论，需要对具体情况做具体分析，才能确定这种说法对不不对？散热有两种目的：(1)将热源的热量传递给环境，对环境加热时环境温度升高。
比如供暖系统。
(2)将热源的热量传递出去，使热源的温度尽可能降低。
大功率LED灯具的散热—本文章针对这个产品技术点，展开描述性地讨论。
对于供能系统，需要将周围环境加热到足够高德温度。
LED大功率灯具产品的散热，与暖通散热的目的，正好有点反过来。
可能读者不太会马上理解，等理解本文后，可能会理解前面这句话的原理。
LED大功率灯具散热的目的，不是保持散热器的温度为目标，也不是以加热环境温度为目的，而是以降低热源的温度为目的。
因为有了散热，热源的温度才可能降低，散热器的温度，自然也不会高。
良好的散热设计，热平衡后，热源与散热器的温差要小，散热器与周围的空气的温差也要小。
绝不能片面的看散热的有关公式中，散热量与温度或温度差成正比，以此为依据而提高散热器的温度。
在热源功率一定时，要提高散热器的温度，就要减少散热器的尺寸或辐射能力。
但是，散热器的温度提高，虽然使得散热器件与空气的温差大了，但是热源与散热器的温差却减小了，顾此失彼，实际上忽略了单位面积热量和散热的速度。
这样的结果：散热器的温度升高了，热源的温度也相应地升高了。
这不符合散热设计的初衷。
散热三个目标：1，热源，单位面积的传递热量。
2，加快散热速度，单位时间热量传递。
3，在符合前面两个条件，过高散热器与热源的温差，也是不可取，以成本为代价的，所以建议稿功率在适当的温度40-50度范围内，为可取的。
结合实际产品，来探讨散热的三个目标。
散热器与空气温差，不能笼统的讲，这要看情况来具体分析。
如果散热器的翅片很薄，很高，热量难以传递到翅片顶端，顶端的温度就低。
LED路灯的散热设计及可靠性研究
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２ ０ １ ３年 ４月
照明＿ ［程 学 报
ＺＨＡ０ＭＩ ＮＧ ＧＯＮＧＣＨＥＮＧ ＸＵＥＢＡ０
Ａｐ ｒ ．
２０１ ３
第２ ４卷
第 ２期
Ｖｏ １ ． ２ ４ Ｎｏ ． ２
Ｌ Ｅ Ｄ 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 ４ ３ ０ ０ ６ ２ ；２ ． 北 京 工 业 大 学 光 电实 验 室 ，北 京 １ ０ ０ １ ２ ４ ）
道路照明中大功率LED路灯散热方案的研究
2010年2月第21卷第1期照明工程学报Z HAOM ING GONGCHENG XU EBAOF eb.2010V ol121N o11杨光(中国科学技术大学国家同步辐射实验室,安徽合肥230029)摘要:大功率LED的发光效率、使用寿命、光输出定向性等指标均优于常规的高压钠灯光源,因此在道路照明中将会逐步得到应用。
在决定大功率LED的性能和路灯设计的几个关键技术中,散热设计是非常重要的一环,散热设计的好坏将直接影响到LED路灯的实际应用能否成功。
文章主要从大功率LED的热特性着手,通过分析大功率LED的散热设计流程及常见的一、二次散热方案,来探讨大功率LED路灯的散热方案和不同的散热方案所适应的范围,给出了一些建议。
关键词:散热;大功率LED路灯;若干建议Researc h on Sche m es AboutHeat Dissi pation of H i gh-powerLED La mp in Road L ighti ngY ang G uang(T heN ational Sy nchrotron R adiation Laboratory,University of Science andT echnology of China,A n H u iH e Fei230029)Abst ractPo w er LED is superi o r to conventional high-pressure sod i u m la m p i n l u m inous efficacy,serv ice life, directional li g ht output e tc,therefore they w ill be used gradually i n the road lighti n g.In deter m i n i n g the perfor m ance of h i g h power LED s and i n high po w er LED la m p design key techn i q ues,the ther m al m anage m ent is very i m portan.t Ther m al design o f LED la m p w ill affect the practi c al applicati o n o f success directly.This article m ainly fro m t h e ther m al characteristics o f h i g h po w er LED,through the analysis ofh igh pow er LED heat dissi p ation pr ocess,co mm on and secondary coo li n g sche m e to explore t h e sche m es onther m a l design o f high po w er LED la m p,the cooling sche m e,d ifferent coo ling sche m e o f adapti v e and gives so m e Suggesti o ns.K ey w ords:heat d issipati o n h igh-po w er LED l a m p in road lighti n g,so m e suggesti o ns1前言创建节约型社会已成为人们的共识,但是目前道路照明中仍然大量使用的高压钠灯灯具的综合效率并不高,只有70%左右,且显色指数偏低,夜间照明感觉昏暗,不利于汽车驾驶人员和行人对目标和障碍物的分辨,对道路交通安全存在一定的影响。
大功率led路灯如何散热
大功率太阳能led路灯如何散热目前创造节约型社会已成为人们的共识，但是工厂照明中仍然大量使用的高压钠灯灯具，它们的综合效率并不高，只有70%左右，且显色指数偏低，不利于工厂工作人员对产品作业的分辨，影响安全作业。
大功率白光LED在发光效率(>80lmPW)、使用寿命(>50000h)、光输出特性、显色性能(75～80)、色温的选择、可调控性以及绿色无污染等方面具有独特的优势，能够按照工厂照明设计标准的要求，方便灵活地设计出合乎光输出要求的、令人满意的工厂照明灯具，成为具有极强竞争力的新型优质光源。
在led工厂照明应用的几个关键技术中，散热设计是非常重要的一环，也是制约其能否获得广泛使用的技术瓶颈之一。
也就是说，散热设计的好坏将直接决定LED工厂照明的性能指标优劣以及实际的推广应用能否获得成功。
一、大功率LED灯的散热方案大功率LED是构成LED工厂灯的基本发光源，目前的芯片电P光转换效率很低，只有15%~20%，芯片的物理尺寸为1～6125mm2.面积很小，功率密度及发热量很大，所消耗电能中的80%~85%将转换为热能而需要被散发掉，并且芯片的温度超过一定值时，发光波长变长，颜色发生红移，将导致芯片出光效率下降和使用寿命减少等诸多问题。
因此要保证大功率LED能够正常有效地使用，散热是首先需要解决的关键问题。
二、温度对LED的影响及封装的一次散热方案大功率LED芯片工作时的结温高低与光通量、寿命的关系极为密切。
为了将高达80%~85%的热量散发掉，LED在封装时就采用了科学的热流程设计和卓有成效的封装工艺。
通过应用高导热的材料(内部热沉)来保证由芯片产生的高热能够顺利地导出，使得封装成型后的LED具有良好的导热和热散出性能。
三、LED结温与光通量、寿命的关系基于大功率LED的工作特性，其结温的高低与光通量的大小、使用寿命的长短有直接的关系。
四、LED封装的一次散热LED封装的一次散热设计是由LED生产阶段的工艺来确定的。
LED路灯散热问题研究及设计
Ｌ Ｄ ｊ ｎ ｔ ｎ ｔｍｐ ｒｔｒ ｎ ｔ ｌ ｅ ｈ ｎ ｗ ｋ ｎ ｏ ａｉｅ ｈ ａ ｍｉ ｉｎ ｄ ｓ ｎｆ ｍ ｈ ａ ｍｉｓ ｎｏ Ｅ ｕ ｃｉ ｅ ｅａｕ ｅａ ｄ ｉ ｉ ．Ｔ ｅ ｅｍａ ｅｉｎ ｖ ｔ ｅ ｔ ｏ ｓ ｆ ｖ ｅ ｓ ｏ ｅ ｉ ｒ ｅ ｔ ｓ ｇ ｏ ｅ ｓｉ ｆ ｏ
灯具产 品市 场混 乱局 面 … ，Ｌ Ｄ路灯 产 品 开发 还存 Ｅ
１ 前 言
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２ Ｓ ｅ Ｚ ｅ ｉｈｉｇ Ｅｎｉ ｎ ｎ ｎ ｇ ｍｅ ｔＣ ｎｅ ，Ｓ ｅｚ ｅ ． ｈｎ ｈ ｎＬｇ ｔ ｖｒ ｍｅｔＭａ ａ ｅ ｎ ｅ ｔｒ ｈ ｎｈｎ，Ｇ ａ ｇ ｏ ｇ ５ ２ ｎ ｏ ｕ ｎ ｄ ｎ ０ ６） １ ８
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道路照明中LED灯的散热问题研究
道路照明中LED 灯的散热问题研究一、LED灯在道路照明中的应用及其散热问题的重要性随着科技的进步和环保意识的增强，LED灯因其高效节能、寿命长、响应速度快等优点，逐渐成为道路照明的主流选择。
然而，LED灯在提供高效照明的同时，也面临着散热问题。
LED灯的散热问题直接关系到灯具的使用寿命、照明效果以及能源的进一步节约。
因此，研究LED灯在道路照明中的散热问题，对于提升道路照明质量、降低维护成本、实现可持续发展具有重要意义。
二、LED灯散热原理与影响因素分析LED灯的工作原理是将电能转化为光能，但在这个过程中，部分电能会转化为热能。
如果热量不能及时散发，将会导致LED芯片温度升高，影响其发光效率和寿命。
因此，了解LED灯的散热原理对于解决散热问题至关重要。
LED灯的散热主要依赖于热传导、对流和辐射三种方式。
热传导是指热量通过材料内部分子振动传递的过程，对流是指流体（通常是空气）中热量的传递，而辐射则是通过电磁波传递热量。
影响LED灯散热效率的因素包括：1. LED芯片的材料和结构：芯片的材料和结构直接影响热传导效率。
高热导率的材料和合理的芯片结构设计有助于提高散热效率。
2. 封装材料：LED灯的封装材料也会影响散热效果。
常用的封装材料如环氧树脂、硅胶等，其热导率不同，对散热的影响也不同。
3. 灯具设计：灯具的设计，包括散热片的形状、大小、布局等，都会影响热量的散发。
合理的设计可以提高散热效率。
4. 环境因素：环境温度、风速等环境因素也会影响LED 灯的散热效果。
在高温或无风的环境中，散热难度会增加。
三、LED灯散热问题的解决策略针对LED灯在道路照明中的散热问题，可以采取以下策略进行解决：1. 优化LED芯片设计：通过改进芯片材料和结构，提高热导率，减少热量的产生，从而提高散热效率。
2. 选择合适的封装材料：选择热导率高的封装材料，如金属基板、陶瓷基板等，以提高热量的传导效率。
3. 改进灯具设计：设计合理的散热片和散热通道，增加散热面积，提高空气流通，从而提高散热效率。
LED路灯的散热设计
LED路灯的散热设计LED路灯的散热问题不仅直接关系到LED实际工作时的发光效率，而且由于LED路灯亮度要求高、发热量大，并且户外这种使用环境比较苛刻，如果散热不好会直接导致LED快速老化，稳定性降低。
因为在户外使用的道路灯具，应具有一定等级的防尘防水功能（IP），良好的IP防护往往会妨碍LED的散热。
解决这个相互矛盾但又都得解决的两个问题是道路灯具设计时应关注的一个重要方面。
在这一方面也是国内把LED应用于道路灯具中时出现不合格及不合理的情况最多的。
国内目前使用中出现的不合格及不合理的情况基本有：（1）对LED采用了散热器，但LED连线的接线端子及散热器的设计无法达到IP45及以上等级，无法满足GB7000.5/IEC6598-2-3 标准的要求。
（2）采用普通的道路灯具外壳,在灯具出光面内用矩阵式LED,这种设计虽说能满足IP试验，但是由于灯具内的不通风会造成在工作时，灯具内腔的温度会升高到50℃~80℃，在如此高的工况下，LED的发光效率是不可能高的，同时LED 的使用寿命也将大打折扣计，实际上存在明显的不合理情况。
（3）在灯具内采用了仪表风扇对LED及散热器进行散热，其进风口设计在灯具的下方，以避免雨水的进入，出风口设计在下射LED光源的四周。
这样也能有效避免雨水的进入，另外散热器和LED（光源腔）不处于同一空腔内，这种设计如做的好，按灯具的IP试验要求，能顺利通过。
这一方案，不仅解决了LED的散热问题，而且同时满足了IP等级的要求。
但是这种看似良好的设计，实际上存在明显的不合理情况。
因为在我国绝大多数道路灯具的使用场合，空中的飞尘量是较大的，有时会达到很大（例如起沙尘暴），这类灯具在一般条件下使用一段时间后（约三个月至半年），其内部散热器的缝隙内就会塞满灰尘，使散热器效果大打折扣，最后还会使LED因工作温度过高而使用寿命明显缩短。
这一方案的不足是在于不能持久良好地使用。
要兼顾道路灯具中LED的散热及IP防护，较合理的设计指导思想是a、在关键的散热位置，采用导热板。
大功率LED路灯叉排式散热器的热学特性研究
为了分析散热器材料导热率对散热性能的影响 ， 散 热器 材 料分别 采用 纯镍 、 纯铝 、 铜 、 纯 纯银 、 合 金 ， 铝 其 热 导 率 分 别 为 ５ 、 ｍＫ ２ １ ｍＫ ３ ５ ｍＫ ９￣／ 、 ０ Ｗ／ 、８ Ｗ／ 、
【】 Ｗ ａ ｇ Ｘ． Ｌ ｏ Ｚ． Ｌｕ ｅ １Ｏｐ ｉａ ｎ ｌｓｓｏ ｎ ４ Ｋ． ｎ ， Ｂ． ｕ ， Ｙ． ｉ， ｔａ． ｔｃ ｌ ａｙ ｉ ｆａ ａ ８Ｏ Ｗ ｉｈ —ｅ ｔｉｇ ｉｄ ｔｅ ｔ ｌｍｐ 【１ — ｌ ｔ ｍｉ ｎ —ｄｏ ｅ ｓｒ ｅ ａ ｇ ｔ Ｊ．Ｏｐ ．Ｅ ｇ ｔ ｎ．
散 热器 材 料热导 率 、 结温 以及 总重 量 的关 系如 图 ５所
示。 由图中可见， 随着散热器材料导热率的增大 ， 芯片 结温 降低 ， 当热导率增大至 ２ ０ ｍＫ时 ， ５ Ｗ／ 降低 幅度
非常缓 慢 。虽然 纯铜 与 纯银 的散 热效 果最 强 ， 大 大 却 增 大 了散 热器 重 量 ， 别达 到 １ ｋ 分 ８ ｇ和 ２ ｇ 不符 合 １ ， ｋ
【】Ｆ ．１ｃｏ ｅ ａ ６ ．Ｐ ｎ ｒｐ ｒ ，Ｄ．Ｄ． ｉ ．Ｊｔｏ ｕ ｔ ｎ ｔ ｅ ｔｔａ ｓ ｅ Ｗ ｔ ｎｒ ｄ ｃｉ ｏ ｈ ａ ｒ ｎ ｆ ｒ ｔ ｏ
【 １Ｊ ｎＷ ｉ ｙａ ｄ Ｓ ｎ ， ｗ ｒ， ８５ Ｍ ． ｏｈ ｌ ｎ ｏ ｓ Ｎｅ Ｙｏ ｋ １ ｅ ９ ．
散 热 系统 体 积 小 、 量 轻 的要 求 ， 重 而采 用 纯铝 以及 铝 合金材 料 ， 其重 量 可控 制在 ５５ ｇ左 右。 因此在 设计 ．ｋ 散热 器结 构 时 ， 要 同时考 虑其散 热 效果 以及 重 量 两 需
LED路灯热分析及散热结构设计研究
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。
1LED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。
大功率LED路灯的散热结构设计和参数优化
大功率LED路灯的散热结构设计和参数优化摘要：为了达到对大功率LED 路灯产品既降低制造成本(散热器质量)又加快散热的目的，优化了LED 路灯散热器结构。
在对原有结构参数化建模及热分析的基础上，采用正交试验分析了散热器中平板厚度、翅片厚度、翅片间距、翅片高度4 因素对产品质量与散热效果的影响，并研究了同一结构下热传导与热对流两种方式对散热的影响，最终得出了一个较为理想的优化结果。
数据结果表明，改进后的散热器最高温度较原始模型下降了11℃以上，同时，质量降低了约15．3％。
关键词：大功率LED 路灯；热分析；散热结构；ANSYS 目前，LED 照明产品正在逐渐取代传统的照明灯具成为主流照明产品。
对于高功率的LED 路灯而言，光效是灯具设计师关注的重点，然而，LED 模组的低结温是实现长寿命和高光效的至关因素。
现实中，有很多关于路灯早期失效的报道，称之为死灯，这对公共照明来说是一个极大的制约。
因此，如何降低大功率LED 产品的结温是研究热点问题之一。
众所周知，LED 光电转换效率制约在15％～20％，其余的电能几乎全部转换成热能，因此在LED 产品工作时，将会产生大量的热量。
当多个LED 密集排列组成路灯时，热量的聚集效应更为严重。
若不将此热量尽快散出，随之而来的热效应将非常明显。
这将会引起芯片内部热量聚集，导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。
本文利用有限元分析软件ANSYS 对LED 路灯进行了热分析，对其散热结构进行了设计与优化，达到了降低制造成本又加快散热的效果。
1 散热器结构设计与建模通常条件下，热量的传递有3 种方式：传导、对流和辐射。
因辐射散热量非常小，所以本文主要讨论传导和对流2 种传热方式。
在LED 路灯中，热传导主要表现在封装结构与散热器中，而热对流主要靠散热器来体现。
因此，在大功率LED 路灯中，外部散热器的结构设。
LED路灯的散热设计研究
LED路灯的散热设计研究LED路灯的设计较传统灯具复杂，包含光学、机械、电子及散热等，其中散热尤其重要。
文章从LED芯片光源和灯具结构的散热设计入手，对LED路灯的散热设计进行了分析。
标签：LED路灯；散热设计；研究分析前言LED作为一种具有巨大发展潜力的固体发光光源，具有寿命长、功耗低、外形小、色彩多、响应快、绿色环保等优点，得到了越来越多的人关注。
LED 光源也从最初的电源指示灯，发展为近年的交通信号、大屏幕显示背投照明、景观照明的使用光源，并越来越多地应用到道路照明和隧道照明等功能性照明领域。
但是，LED路灯产品开发还存在许多亟待解决的问题，其中散热问题是制约该产品推广应用的关键问题。
1 LED路灯散热问题分析LED光源的光转换率仅有20%，输入功率的80%被转换成热能，如果不能将热能散发掉，将大大影响LED的使用寿命，也会降低LED的发光效率，导致严重光衰。
而问题在于LED产生的热能大部分只能采用传导方式散发，因此这些热能需要一个较长的路径才能散发到周围环境中。
如何使得LED光源温度保持在一个相对合理的水平，保证光源能够稳定工作，是LED路灯亟待解决的问题。
同时，为满足照明功率需要，路灯上的LED布置成多颗光源，当LED密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重，散热问题成了影响LED路灯性能的关键指标。
2 LED路灯的热阻分析路灯在散热过程中的热阻主要由四部分组成：LED封装芯片的热阻，粘结材料的热阻，热源与热沉间的扩散热阻以及热沉与环境间对流换热热阻。
一个LED路灯含有多颗LED，因此扩散热阻为多个并联的关系。
上述四个热阻中，芯片热阻一般由封装芯片工艺决定，粘结部分的热阻与制作时的涂覆工艺及粘结材料有关，扩散热阻是一个和芯片布置方式和尺寸关系十分密切的物理量，对流换热热阻涉及较为复杂的对流换热过程，其大小取决于灯具的散热设计。
3 LED路灯散热解决方案要解决LED路灯散热问题，必须从上述的四部分热阻入手，用倒装芯片技术减少LED封装芯片的热阻；选用高导热粘结材料解决键合材料的热阻；采用适当的材料减小热源与熱沉间的扩散热阻，合理的设计灯具结构解决热沉与环境间对流换热热阻。
道路照明中大功率LED路灯散热方案的研究
道路照明中大功率LED路灯散热方案的研究
杨光
【期刊名称】《照明工程学报》
【年(卷),期】2010(021)001
【摘要】大功率LED的发光效率、使用寿命、光输出定向性等指标均优于常规的高压钠灯光源,因此在道路照明中将会逐步得到应用.在决定大功率LED的性能和路灯设计的几个关键技术中,散热设计是非常重要的一环,散热设计的好坏将直接影响到LED路灯的实际应用能否成功.文章主要从大功率LED的热特性着手,通过分析大功率LED的散热设计流程及常见的一、二次散热方案,来探讨大功率LED路灯的散热方案和不同的散热方案所适应的范围,给出了一些建议.
【总页数】8页(P40-47)
【作者】杨光
【作者单位】中国科学技术大学国家同步辐射实验室,安徽,合肥,230029
【正文语种】中文
【相关文献】
1.大功率LED路灯在城市道路照明中的节能应用研究 [J], 李棋荣
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2010年2月第21卷 第1期照明工程学报ZHAOM I N G G ONGCHE NG XUE BAOFeb. 2010Vol121 No11杨 光(中国科学技术大学国家同步辐射实验室,安徽 合肥 230029)摘 要:大功率LE D的发光效率、使用寿命、光输出定向性等指标均优于常规的高压钠灯光源,因此在道路照明中将会逐步得到应用。
在决定大功率LE D的性能和路灯设计的几个关键技术中,散热设计是非常重要的一环,散热设计的好坏将直接影响到LE D路灯的实际应用能否成功。
文章主要从大功率LE D的热特性着手,通过分析大功率LE D的散热设计流程及常见的一、二次散热方案,来探讨大功率LE D路灯的散热方案和不同的散热方案所适应的范围,给出了一些建议。
关键词:散热;大功率LE D路灯;若干建议Research on Sche mes About Heat D issi pati on of Hi gh2powerLE D Lamp i n Road L i ghti n gYang Guang(The N ational Synchrotron Radiation L aboratory,U niversity of Science andTechnology of China,A nHui HeFei 230029)Abstract Power LED is superi or t o conventi onal high2p ressure s odiu m la mp in lum inous efficacy,service life, directi onal light out put etc,theref ore they will be used gradually in the r oad lighting.I n deter m ining the perf or mance of high power LE D s and in high power LED la mp design key techniques,the ther mal manage ment is very i m portant.Ther mal design of LED la mp will affect the p ractical app licati on of success directly.This article mainly fr om the ther mal characteristics of high power LE D,thr ough the analysis of high power LE D heat dissi pati on p r ocess,common and secondary cooling sche me t o exp l ore the sche mes on ther mal design of high power LED la mp,the cooling sche me,different cooling sche me of adap tive and gives s ome Suggesti ons.Key words:heat dissi pati on high2po wer LE D la mp in r oad lighting,s ome suggesti ons1 前言创建节约型社会已成为人们的共识,但是目前道路照明中仍然大量使用的高压钠灯灯具的综合效率并不高,只有70%左右,且显色指数偏低,夜间照明感觉昏暗,不利于汽车驾驶人员和行人对目标和障碍物的分辨,对道路交通安全存在一定的影响。
目前,大功率白光LED在发光效率(>80l m/W)、使用寿命(>50000h)、光输出特性、显色性能(75～80)、色温的选择、调控性以及绿色无污染等方面具有独特的优势,能够按照城市道路照明第21卷第1期杨光:道路照明中大功率LE D路灯散热方案的研究41设计标准的要求,方便灵活地设计出合乎光输出要求的、满意的路灯,成为具有极强竞争力的新型优质光源,然而在决定LE D路灯应用的几个关键技术中,散热设计是非常重要的一环,也是制约其能否获得广泛使用的技术瓶颈之一。
也就是说,散热设计的好坏将直接决定LE D路灯的性能指标优劣以及实际的推广应用能否获得成功。
2 大功率LE D的散热方案大功率LED是构成LE D路灯的基本发光源,目前的芯片电—光转换效率很低,只有15～20%,加之芯片的物理尺寸为1～6125mm2,面积很小,功率密度及发热量很大,所消耗电能中的80～85%将转换为热能而需要散发掉,并且芯片的温度超过一定值时,发光波长变长,颜色发生红移,导致芯片出光效率的下降和使用寿命的减少等诸多问题[1],因此要保证大功率LED能够正常有效的使用,散热就是首先需要解决的关键问题。
(1)温度对LED影响及封装的一次散热方案大功率LE D芯片工作时的结温高低与光通量、寿命的关系极为密切。
为了将高达80～85%的热量散发掉,LE D在封装时就采用了科学的热流程设计和卓有成效的封装工艺。
通过应用高导热的材料(内部热沉)来保证由芯片产生的高热能够顺利的导出,使得封装成型后的LED具有良好的导热和热散出性能。
①LE D结温与光通量、寿命的关系:基于大功率LED的工作特性,其结温的高低与光通量的大小、使用寿命的长短有直接的利害关系。
图1给出了某国际品牌LED芯片的结温与光通量以及使用寿命的关系[2]。
由图可见,随着LE D芯片的结温升高,其输出的光通量在有规律的下降,使用寿命也在呈现出快速下降的趋势。
因此设法维持芯片的温度在允许的范围内,是LED应用首先要解决的关键性技术问题。
②LE D封装的一次散热:LED封装的一次散热设计是由LED生产阶段的工艺来确定的。
图2a给出了LE D封装散热设计的一般流程示意[3],主要是由芯片内部的热设计和封装的热设计构成。
这样一来,通过科学合理的设计图1 LED结温与光通量及使用寿命的关系图2 LE D封装散热设计流程及典型的封装就能够得到满意的LE D导热和散热效果。
图2b中给出了典型的LED封装结构示意。
由图可见,由于封装透镜材料几乎是不导热的,其作用是将芯片的光输出进行分配和取出,芯片的热量主要由内部热沉导出后再通过外部散热器进行散热,因此LE D封装的的一次散热设计就是针对其使用的要求和条件,通过内部热沉的科学设计将芯片产生的高热有效地导出并传导给散热器。
42 照明工程学报2010年2月(2)LE D 的二次散热方案对于已经商品化的大功率LED,由其芯片封装所构建的一次散热设计已经固定,使用时无法更改,因此作为发光光源在路灯中使用时,就需要根据现场的实际工况及工作条件等进行二次散热方案的设计。
①LE D 二次散热设计流程:图3 LED 二次散热设计流程及热阻网络图LED 二次散热设计流程见图3a 所示[3]。
主要表述为:计算热阻和结温,看能否满足LE D 的散热要求,如果能够满足散热要求就直接输出结果;如果不能满足LE D 的散热要求就要进行散热器设计,然后再看设计能否满足LE D 的散热要求,能就需要进行下一步的优化设计,不能的话就需要重新进行散热器设计,直到能够满足要求为止。
LED 二次散热设计的热阻网络示意图如图3b 所示[2]。
图中虚线框内的为LED 的一次封装散热,主要由LED 芯片P D 产生的热量,通过内热阻R j -c 向外传递,由外壳和封装透镜向外扩散,热阻为R TP 。
其热传导过程表述如下:LE D 的内部热沉通过粘结层将热量传递给金属线路板,内部热沉与金属线路板间的热阻为R c 2b ,再由线路板通过粘结层传递给散热器,热阻为R b 2s ,散热器将热量通过热阻R s 2a 向空气中散发(图中:T j ———LE D 芯片的结温,T c ———内部热沉的温度,T s ———散热器最高点温度,T a ———环境温度)。
②二次散热的影响因素通过分析LE D 二次散热的方案和机理,可以看出影响LE D 散热的主要因素如下:a .散热基板作用是与LE D 的内部热沉相连接,将热量导出和散发掉,常见的有[4,6]:▲金属PCB 线路板为了解决单元LE D 之间的电路联结与散热通道相互独立的问题而采用的技术手段。
存在的问题是膨胀系数大,比重大,重量重等诸多问题。
常见的有将陶瓷与金属结合形成的金属低温烧结陶瓷基板等。
▲金属基复合材料板金属基复合材料板为金属PCB 线路板的改进型,将金属材料的高导热性与增强材料的低膨胀性相结合,具有膨胀系数可调,比重小,导热率高的特点。
b .均温板[5]将LE D 单元之间高热点的热量进行导出和扩散,使其在散热面上获得均匀的温度分布,提高散热效果,有利于散热器的总体散热。
c .粘结层常用于LED 芯片与热沉的粘结材料有三种[6]:▲导热胶———硬化温度低于150℃,热导率小,导热效果差;▲导电银浆———硬化温度低于200℃,具有良好的导热性和较好的粘接强度;▲锡浆———与上述两种粘接剂相比,锡浆应该优先选用,因为其导热性为最优,导电性能也很优越。
d .散热装置散热装置的设计方案及形式较多,五花八门,归纳起来主要分为两大类[2,5]:▲被动式散热———特点是散热时不需要消耗额外的能源(电能),但总体的散热能力有限,适用第21卷第1期杨光:道路照明中大功率LE D路灯散热方案的研究43于中、小功率的LED路灯散热;▲主动式散热———特点是散热时需要消耗额外的电能,但散热的效果好,适用于较大功率LED路灯的散热。
e.改进的散热设计为了尽量减少LED的总体热阻,即减少热阻的数量,文献中提出了如下的改进方式,归纳起来主要有:▲薄膜集成封装[7]取消金属PCB板,在金属散热器上直接生成绝缘膜和电极膜,由此所得到的散热效果远远优于常规的金属PCB板,能够进一步减小LED总体上的热阻。
▲散热器上芯片直接封装取消常规的LED内部热沉,而将芯片直接封装在预先设计好的具有特殊结构的金属散热面上,再进行整体封装。
这样一来也能够进一步减少热阻。
③LE D被动式散热方案LED的被动散热主要适用于中、小功率的LED 来散热。
由于不需要额外的消耗电能,故应用时总体的效率不受影响。
a.自然散热自然散热工作原理是在基板的外侧加上散热器,通过热传导将芯片高热量导出,然后再通过热对流与空气进行交换,将散热器上热量散发掉。
在热传导的基本公式:Q=K AΔT/ΔL中,Q代表为热量,也就是热传导的热量;K为材料的热传导系数;热传导系数越高,其比热的数值也就越低; A代表传热的面积(或是两物体的接触面积);ΔT 代表两端的温度差;ΔL则是两端的距离。