LED路灯的散热设计

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 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 1 散热器结构设计与建模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计非常关键 直接影响整个系统的散热能力 在制作 LED 路灯时 通常将封装好的 LED 光源焊接在 MCPCB 上 而后 MCPCB 与外部的散热器通过采用 导热粘合剂以及机械紧固件法等固定在散热器上 如图 1 所示 热量的主要传输通道为 PN 结 Cu 柱 MCPCB 散热器 空气 环境 图 1 热量传输通道示意图 本文主要考虑散热器对散热的影响 采用的散热器结构为一块带有很多散热翅片的热的良导体 通过 具有一定厚度的 导热板 固定住装载有 LED 光源的 MCPCB 实物如图 2 所示 主要参数见表 1 图 2 KS 路灯实物图 表 1 路灯基本参数 首先 根据灯具 封装光源等实际尺寸 在有限元模拟分析软件 ANSYS 中建立模型如下 在此模型中 考虑到灯具传热的主要途径 忽略了封装光源的引脚对散热的影响 同时 由于封装用 的环氧树脂热导率只有 0 2W mK 在这里作绝热处理 另外 假设各接触面均为理想接触界面 即不考 虑界面热阻 在模拟过程中 边界条件设置如下 芯片功率为 1 W 光电转换效率设置为 15 与空气对 流系数设为 5 散热体黑度为 0 5 环境温度为 25 2 2 散热器参数优化散热器参数优化 现今 LED 路灯散热设计中存在以下问题 散热翅片面积随意设定 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 强调热传导环节 忽视对流散热环 节 忽视传热的均衡性 这种往往导致了散热器质量庞大 其中一部分翅片没有发挥作用或作用很有限 2 1 参数优化实验一 本文利用正交试验对散热片结构中的底板厚度 翅片厚度 翅片间距 翅片高度 4 个因素进行了优化 设计 把以上影响散热片散热性能的 4 个参数作为因素 每个因素取 4 个水平 以模型质量和最高温度为 指标 采用正交表 L16 44 模拟实验 结果如表 2 所示 表 2 正交试验结果表 根据正交试验表中的数据 将以上四因素对试验指标的极差进行统计 结果见表 3 表 6 表中数据 显示对散热片质量的影响由大到小的因素依次为 翅片厚度 翅片间距 翅片高度 底板厚度 对模型最 高点温度的影响由大到小的因素依次为 翅片间距 翅片高度 翅片厚度 底板厚度 表 3 翅片厚度对试验指标的极差分析表 表 4 翅片间距对试验指标的极差分析表 表 5 翅片高度对试验指标的极差分析表 表 6 底板厚度对试验指标的极差分析表 从试验结果分析可得出 在设计大功率 LED 翅片式散热结构时 为了得到更好的散热效果 应使翅片 厚度和翅片间距尽可能小 但实际上这些值又不能无限小 首先 由于自然对流达到热平衡的时间较长 所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够 以抗击瞬时热负荷的冲击 其次 翅片间距减小 翅片数量增 加 会导致静压下降 若翅片数量过多过密 则会降低空气流速 相反会使散热片的散热效率降低 另外 在实际中 因美观与一些特定的环境要求 会对灯具整体高度有所限制 这样就限定了散热器 的高度 而散热器的高度是底板与翅片高度之和 若增加底板厚度则散热片的高度就要降低 在整个散热 结构中 底板的主要功能是将灯具内部光源产生的热量导出 再有外部的翅片散发掉 因此 选取合适的 底板厚度和翅片高度也是加快散热的有效途径 2 2 参数优化实验二 在现有 LED 路灯散热结构中 多采用导热板方式 即一定厚度的底板作为均温板 先把热源均温掉 这部分主要起到热传导的作用 将 LED 产生的热量从灯具内部导出 再借由外部翅片将热量散发出去 然 而外部翅片散热机理 即在何种形态以及比例下散热效果会最佳 没有发现对此类问题的进一步研究与优 化 为了说明传导与对流对散热的影响 本文利用 ANSYS 对单个 LED 的散热过程进行了分析 整个试验过 程中 总的长度是不变的 整体散热过程是热传导与对流相互作用的结果 为了说明各自的影响 姑且将 翅片划分为传导部分与对流部分来分析 试验中 将假设的非传导部分细化 以增加其对流面积 利用 ANSYS 对单个 LED 下总散热柱的长度为 50 mm 的模型进行了热分析 结果见表 7 表 7 温度与 传导长度 的关系表 由以上结果可知 并不是 传导长度 越长 温度就越低 因为 传导长度 越长 相应的对流并不 是最好的 在整个散热过程中 这两者相互制约 只有在两者选取都非常合理的时候 才能得到最佳的效 果 正如此试验中选取的 传导长度 为 40mm 时 得到了最低温度 56 504 如图 4 所示 图 4 最佳 传导长度 温度分布图 2 3 结果验证 结合以上试验分析结果 在充分考虑 LED 路灯产品的外观 散热片质量 强调热传导与对流散热环节 的平衡等因素后 对 LED 路灯产品的散热片结构进行了优化设计 由表 8 可知 参数优化后的结构首先减 小了散热器的质量 其质量由 10 41kg 下降为 8 82 kg 比原有的减小了 15 3 图 5 为散热器改良前的 结构图 表 8 改进结构前后参数对比表 图 5 散热器结构图 利用 ANSYS 分析软件和红外热像仪对两种产品进行了热分析和实测 其结果分别如下图 6 图 7 所示 图 6 ANSYS 热分析温度场分布图 图 7 散热器实物与红外实测图 由上图可知 利用 ANSYS 分析的结果 温度由 63 325 降为 53 325 降幅为 10 而实测结果的 温度则由 66 7 下降为 54 8 降幅为 11 9 模拟结果中温度分布与实测温度分布基本相符 温度范 围稍小于实测温度范围 这主要是由于模拟过程中忽略了界面热阻 芯片与管壳粘接材料的热阻以及 MCPCB 与散热器之间粘接材料的热阻 3 3 结论结论 对于由多个大功率 LED 密集排列组成的路灯 其更多的热量需要从芯片结区有效地消散掉 因此大功 率 LED 路灯的热管理问题对于 LED 散热技术是一个挑战 本文首先根据现有 LED 路灯产品建立起了基于热传导 热对流的有限元模型 利用 ANSYS 对其散热结 构进行了热分