大功率LED 路灯散热分析与设计

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　　 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
　　
　　
　　中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
　　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。众所周知道路使用LED 灯具实现有效地照明，必须有较高的照度，然而达到较高的照度，就必须增大产品的功率，增加功率必定增加热能，热量如果不能及时导散出去就必然导致光衰。相对来说，散热问题如果没有解决好，LED 灯具本身质量再好，最终也因光衰造成死灯。因为LED 的光衰和寿命与LED 的工作温度高低有直接决定性的关系，LED 路灯功率大、发热高、工作时间长，光衰问题在使用中就会显得十分突出。要做好大功率LED 路灯，首先要做好灯具的散热设计，只有解决散热问题，才能实现LED长寿命的优势。从实质意义方面看来，控制光衰和保障长寿命比节能更重要。所以，做好大功率LED 灯具的核心问题就是解决好散热和控制光衰，散热问题是大功率LED 路灯必须解决的重点问题。
　　二、LED 路灯散热器
　　目前应用在LED 道路照明灯具中的散热方式主要有两种：第一种是被动式散热，即通过安装散热片来散热。第二种是主动式散热，即通过外加风扇或者水冷等方式来散热。
　　1 被动散热
　　被动式散热就是通过灯具自身的外表面与空气的自然对流，将LED 产生的热量散出。这种散热方式设计简单,并且容易和灯具的机械结构设计结合起来,这样比较容易达到灯具的防护等级要求,并且成本较低,因此这种散热方式是目前采用最广泛的一种。热量先是经过焊接层传给固定LED 的铝基板，通过铝基板导热胶传给灯具外壳,然后通过灯具外壳传导给各个散热片,最后靠散热片与空气间的对流将热量散出。这种方式结构简单，但散热效率比较低。
　　2 主动散热
　　主动式散热主要是通过水冷、风扇等手段增加散热器表面的空气流动速度,快速带走散热片上的热量，从而提高散热效率。这种方法散热效率比较高，但是需要额外的功耗,会降低系统效率,并且设计难度很大。
　　三、大功率ＬＥＤ路灯的散热设计
　　ＬＥＤ为电致发光器件，其工作过程中只有１５％～２５％的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使得ＬＥＤ的温度升高。一般功率器件（如电源IＣ）的散热计算中，只要结温小于最大允许结温（一般是125℃）就可以了。但在大功率ＬＥＤ散热设计中，其结温ＴＪ要求比125℃低得多。其原因是ＴＪ对ＬＥＤ 的出光率及寿命有较大影响：ＴＪ越高会使ＬＥＤ的出光率越低，寿命越短。
　　图１为某品牌ＬＥＤ结与相对光通量的关系曲线。
　　图１ＬＥＤ结温与相对光通量的关系
　　１．大功率ＬＥＤ的散热路径
　　热是从高温度处向低温度处散热，大功率ＬＥＤ主要的散热路径是：管芯→散热垫→铝基板→散热片→环境空气。若ＬＥＤ的结温为Ｔｊ，散热片的温度为ＴＱ，散热垫底部的温度为Ｔｃ，则ＴＪ＞Ｔｃ＞ＴＱ。
　　假设路灯整灯功率为１００Ｗ，光源功率为８０Ｗ，则约１２Ｗ 电能转化为了光能，其余６８Ｗ转化为热能了。散热设计的目标就是要将６４Ｗ的热能及时导出并散发掉，使得结温ＴＪ控制在７５℃以下，从而保证灯芯在使用寿命39000小时。
　　２．散热措施
　　目前，行业内主要有热管散热和散热器散热两种措施，我们利用散热片，通过空气对流，自然散热。
　　３．散热设计
　　设计原则：使芯片、器件、灯具结构具有低热阻，同时采用高效的散热器能使芯片上产生的热量通畅地传到散热器上，并有效地散发到空气中去。具体设计原则有：
　　（１）结构层越少越好；
　　（２）层的厚度越薄越好；
　　（３）层的面积越大越好；
　　（４）面积一定时，长方形和环形较好；
　　（５）材料的热导系数越大越好。相关材料的导热系数见图2。
　　图2相关材料的导热系数
　　
　　考虑到加工工艺成熟度和原材料的成本，我们选择铝压铸散热器。
　　设计目标：ＬＥＤ灯具正常工作状态下，灯芯结温低于７５℃。
　　根据外形尺寸和压铸铝合金的工艺要求，初步确定肋片宽度ｂ为350ｍｍ，厚度δ为5ｍｍ，高度ｈ为50ｍｍ。则一个肋片的散热量为：
　　Ф0 ＝λACｍ(t0－tf)tanh（mh）
　　λ-散热器材料的导热系数，W/(m•K)
　　α-散热器换热表面传导系数，W/(m2•K）
　　AC＝bδｍ２
　　m＝
　　t0 -肋基温度，℃
　　tf -肋周围的流体温度，℃
　　将以上各参数代入上式，经过计算得：
　　Ф0 ≈6.14Ｗ
　　效率计算公式为：ηｆ＝
　　经过计算，得效率：ηｆ ＝0.9796
　　所以，需要的肋片数量Ｎ 应该为：
　　Ｎ ＝ ≈11.3
　　结论：最少需要１２块肋片才能满足散热要求。
　　肋片间距 L≥1.54
　　其中，ｂ-肋片高度，ｍｍ
　　Ｖ-运动粘度，ｍ２／Ｓ
　　β-流体膨胀系数，1／℃
　　Δt -类比温度与环境温度之差，
　　Ｐｒ -普朗特数，0.7085
　　将以上各参数代入上式，经过计算得：Ｌ≥15ｍｍ，取30ｍｍ。
　　此外，散热片在设计时应该考虑到散热片的方向，应该朝向利于空气对流的方向，利于雨水的冲洗，防止灯具上堆积灰尘，保证散热片的导热效率. 综上，路灯散热片外形见图２：
　　四、ＱＬｅｄ软件仿真和分析
　　ＱＬＥＤ是用于固态照明行业的散热设计软件。通过一步设计向导来指导用户去选择和模拟大功率ＬＥＤ安装在ＦＲ－４板或金属芯印制板上的散热效果。此外，用户可以无缝通过散热片和风扇来集成散热来达到最精确短暂或稳态散热模拟。用户使用ＱＬＥＤ可以几分钟内开发、模拟和优化散热设计。
　　五、大功率ＬＥＤ路灯的温度测试
　　按照前述设计的各项参数，生产样灯，装配完成之后，先对其加电２小时，待其状态稳定后，用热偶电阻测得灯芯焊点温度为62.3℃，故灯芯结温可由下式推算：
　　Ｔｊ＝Ｔｈ＋（Ｐ＋θ）
　　＝62.3＋1.25×７
　　＝71.05℃
　　其中，P＝1.25Ｗ，θ＝７℃／Ｗ 结论，散热设计符合散热要求。
　　六、结论
　　本文主要从大功率ＬＥＤ 的热特性着手，通过分析大功率ＬＥＤ的常见的散热方式及散热设计流程，总结出了大功率ＬＥＤ路灯的热设计理论计算方法，选取合适的简化模型，再利用ＱＬｅｄ软件进行建模、仿真，模拟芯片工作时的温度分布，得出结论。为大功率ＬＥＤ路灯散热设计提供参考数据。
　　参考文献：
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　　[3］刘静，刘生春．大功率ＬＥＤ照明器的热设计．光学与光电技术，2008，10
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　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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