LED灯具的散热与设计探究

LED灯具的散热与设计探究

彭依彧

(广州代诺可光电科技有限公司，广东 广州 510800)

【摘 要】LED灯具具有高效、节能、寿命长和安全性高的优点，具有很好的发展前景。本文介绍了LED灯具及其存在的问题，对其组件结构的热场进行了分析，建立了热学模型。研究了热场耦合，分析了肋片散热器设计的注意事项，得到了稳态时的控制方程，为设计优化提供了思路。

【关键词】LED灯具 散热 设计

随着科学技术的逐渐发展，照明技术的进步也是日新月异，从火光照明这样的原始照明方式开始，到后来的白炽灯和荧光灯的照明技术，都见证了照明技术的发展，后来又有了一种新型照明技术，就是LED照明，作为新型光源，在照明领域非常有发展优势[1]。我国对光源的需求伴随着经济的发展日益增多，每年平均光源耗能占到总耗能的14%的比例，所以作为节能光源技术，LED技术受到了广泛重视。

1 LED灯具介绍

LED照明属于半导体照明，因此发光二极管是LED的又一名称，它工作的原理是借助PN结来实现电能与光能转换，这种照明技术的优点很多，总结出来主要有三点[2]：第一点是环保节能，作为最主要的特性，因为在工作时并无热辐射产生，即使器件出现故障，也能进行回收利用，所以LED技术是一种新型绿色的光源，可以预见，在不久的将来，传统照明光源将会完全被半导体照明取代；第二点是耐用、寿命长，一般来说，用于照明光源的LED照明的寿命处于五万至十万小时范围内，在使用寿命上远高于白炽灯和其它光源；第三点是可以用于更广的范围内，除了用于普通的日常照明，还能用于特种照明领域和景观照明领域中，而且还能与计算机连接，实现实时控制。

2 LED技术发展存在的问题

自LED技术出现开始，取得了比较迅速的发展，功率也由最初的比较小，逐渐发展的越来越大，而且大功率的LED照明也开始普及到日常照明应用中。在LED技术的不断发展和逐渐推广过程中，LED照明技术也开始不断暴露出一些问题，其中比较突出的是散热量和散热性能[3]。虽然，节能环保被认为是半导体照明的主要优点之一，但是因为其光电转化率只有20%，其它的电能均通过热能形式散发到外界，因此，对于LED照明灯具的散热和设计问题的解决越来越成为影响这种技术取得更大的发展的制约因素。

在LED灯具中，随着功率增大，设计的封装结构就需要更为复杂，加上更小的封装体积，这样就会造成PN结结温出现的升温现象非常明显，如果此时散热水平不高的话，将会导致光源光衰现象的出现。发光效率的利用技术发展至今，并没有取得了较理想的发展，达到的水平仅仅为五分之一，其它的电能都没有得到有效利用，而是转变为热能损失了，这种热量的损失还会破坏LED发光效果。相关的研究数据显示，LED光源事故中，由于温度过高导致的事故占到七成之多，所以LED灯具的散热和设计的研究是LED照明领域技术研究的重点。

3 LED灯具的散热问题研究

热耦合现象是分布式LED的芯片中比较常见的问题，温度分布不均匀是由于不均匀的芯片结构造成的，热偶现象的出现会造成局部温度不断上升，然后将会造成整个LED光源系统的寿命缩短现象，因此热偶现象的减弱是促进光源寿命提高的主要手段和必然策略。考察LED温度升高的原因，PN结是主要的因素。封装是LED照明灯具的必要步骤，这就造成了芯片内部的温度测定困难问题。为了能够测量温度，一般是通过测定热阻来实现PN结散热性能评价。因为热阻值与芯片的散热性能是反比关系，而有效降低PN结温度的有效措施是减少热阻，所以，为了对芯片的散热情况进行描述，分析热阻是一个必要手段。

4 LED灯具的散热与设计探究

4.1 LED灯具的热学分析

因为LED灯具存在热耦合问题，所以仅仅用功率型热场分析进行散热设计是不合理的。对于LED的散热路径，包括基板方向的传递，还包括沿基板横向热通路传递，这说明热量的流通也存在于芯片之间。所以，在进行散热设计时需要考虑两个方面，一个方面是优化基板热量传热方向的热沉结构，另一个方面是优化横向热传递的芯片布局，这样才能使系统热阻有效降低，芯片温度均匀化，芯片结点温度降低，延长灯具使用寿命。

对于多热源的热阻计算，国内外学者给出了两种描述和解决办法：平均热阻法和芯片独立热阻法[4]。用器具的平均结点温度比总耗能就是平均热阻，用于多热源热阻的表示。不同于平均热阻法，芯片独立热阻法中的能耗是用每个芯片的能耗来表示的。在芯片尺寸型号都相同，而且不考虑耦合热场的情况下，可以使用平均热阻法，但是结点温度差异较大时不能使用这种方法。芯片独立热阻法不适用无功耗的芯片，而且也没有将热耦合考虑在内，但是实际情况中，不能忽略热耦合的作用。为了克服这一缺点，采用更为合理的热场分析法，即热阻矩阵法，在多芯片组件的热阻分析是非常有效。

首先，多芯片LED灯具的热阻根据线性叠加原理可以通过式(1)的热阻矩阵来表示，对于每个芯片来说，可以用式(2)表示结点温度，由于耦合热阻也会影响灯具的总热阻，所以热阻矩阵还会因为矩阵边界条件的改变而不同。

(1)

Tji=R1j*P1+Rj2*P2+…+Rj2*P2

(2)

4.2 建立组件热沉的数学模型

LED灯具的热沉主要有两部分：散热基板和散热器，这两者之间是紧密连接的。如图1所示，散热板的热传导在三层介质中进行：从电路层到绝缘层，再到金属层。每层的功能不同，但是总体来说，基板比较薄，达到支持作用的厚度已经满足使用条件。所以，基板的厚度尺寸在很小的范围内变动，虽然作为系统整体热阻的一部分，但是散热基板对整体影响相对较小，加上可变性不高，所以可以不将其作为影响散热器的主要器件。相对来说，散热肋片是组成散热器的主要部分，其温度场的数学模型可以用热传导原理和热量守恒定律表示。散热肋片的边界影响较小，因为相对于散热片的高度，其厚度可以不考虑。简单来说，散热面积的增加有利于散热效果的增强，但同时固态传导热阻也相应会增加，所以在进行LED灯具设计时，必须同时考虑散热肋片的表面积和传导热阻的对流热阻，然后得到一个优化值，这样才能设计出优质的LED灯具。

图1 散热基板的热传导示意图

4.3 肋片散热器设计

影响肋片散热器性能的参数有：基底长度、宽度、厚度，以及肋片的高度、厚度和间距。对于多因素的参数设计选择，可以采用正交实验的方法进行实验，可以实现实验次数的减少。根据得到的正交表进行结果计算，然后进行极差分析。研究表明，散热面积和散热器肋结构都会对结温产生影响，肋基的厚度也是对散热有重要影响的因素。其中肋基对结温的影响规律是：肋基厚度在一定范围内变化时，结温会随着肋基厚度的减少而增加，但是当厚度高于这一范围时，结温又会随着肋基厚度的增加而增加。原因是在一定范围内，肋基厚度增加有利于肋片方向的热量传递，而肋基厚度超过这一范围，纵向传热热阻会随厚度增加而增大，反而会对散热不利，导致芯片温度升高。综上所述，在对LED灯具的肋基厚度进行设计时，不能只依靠增加肋基厚度来增强散热性能，而且还应该考虑实际需要对肋基进行设计。

4.4 LED灯具的散热结构设计优化

4.4.1 优化散热结构

前面进行了LED灯具的热场分析，在实际应用中，热场分析能够帮助进行灯具散热结构的优化设计。对于影响散热器性能的因素，前面也进行了分析，本节继续对优化方案进行探讨。采用多芯片、小功率的芯片布局方式有利于LED灯具中芯片结温温度的降低，也是有效减弱耦合的重要手段。但是站在光学布局的角度来看，进行多芯片LED组件优化时，一般不会把改动芯片阵列作为首要考虑，而是将组件尺寸的优化作为改进散热结构的首要考虑。

在每颗芯片的功率都为1W时，芯片的数量越多，功率越大，那么生热就会越多，随之而来的是热偶现象更严重，芯片结温也会向更高的方向发展。但是总功率不变时，随着芯片数量的增加，单颗芯片的功率向着更小的方向变化，温度分布也向着均匀方向发展。芯片数目增加，LED阵列的功率也就增加，相应的芯片结温增高，将会不利于散热。在这种情况下，如果单颗芯片周围芯片数目分布增多，那么芯片的热偶现象将会加剧，进而结温也会随之上升，如此恶性循环，将会不利于芯片散热。综上所述，当总功率确定不变时，单颗芯片的功率会随着芯片数量的增加而减少，温度也会向着更为均匀的方向发展，相对来说结温也会变小。而当芯片数量少时，单颗芯片的功率越高，这就会不利于散热。所以，在芯片阵列布局方面，一个优化的方向是改为多芯片小功率布局。

通过对LED灯具中的多芯片热场进行分析发现，当散热面积一定时，在Z翼展方向增加长度，对于芯片的散热功能增强和芯片之间热耦合的减弱非常有利。所以在进行总功率不变的多芯片LED阵列优化时，以延翼方向布局作为原则，进行阵列排布，然后对热场分布情况进行有限元分析，可以实现散热热沉的优化设计，在这种方式下，组件的散热效果能够更好。

4.4.2 有限元分析法

用简单的问题替换本来的复杂问题是一种有限元分析法，利用此分析方法，将求解域进行离散，得到许多小的子域，然后求解每一个子域，进而将满足整个域的条件推导出来，然后就得到了复杂问题的解[5]。不同于其它边值求解问题，有限元分析法仅限于较小子域的求近似解问题。运用有限元法求解离散成的区域形成的几何形状比较简单，比如形成三角形或者二维分析中的任意四边形，这就是有限元分析的优势所在：所求区域的边界条件比较简单，不用再计算边界条件。

对于LED中的功率型灯具来说，并不是单一的工作状态，从芯片通电，开始工作，到热量产生和逐渐积累，这个过程是瞬态，随着时间变化，芯片结温持续升高，所以热场在这种情况下并不是稳定的，热平衡方程在瞬态条件下可以根据能量守恒定律得到，如式(3)所示，式中K代表包含了四种不同指标的传导矩阵：导热系数、对流系数、辐射率和形状系数。

CT+KT=Q

(3)

在条件为模型几何参数情况下，性能参数可以用于有限元法的选择，然后将边界条件加入其中，进行公式推导，就可以得到K、T和Q，最终热平衡方程就能得到。在最后，求解方程就可以得到所求值，ANSYS在稳态时的控制方程可以用式(4)表示。

(4)

当芯片经过一段时间工作之后，芯片的温度会不断升高，直到进入稳态阶段，这个时候，边界条件达到定值[6]。在进行系统热稳态分析时，系统必须在热稳定状态下，此时如果系统自身产生的热量与系统流入和流出的热量差值刚好相等，那么这种状态将被称为系统静热流率为零。处于这种状态的系统也可以称为是处于热稳态的。此时进行热分析，处于稳态条件下的每个节点温度都不会因时间的变化而改变。也就是说节点温度在热稳态情况下雨时间变化无关，所以在热稳态分析中，可以用矩阵形式表示能量平衡方程，如式(5)所示。

{K}{T}={Q}

(5)

5 结论

LED灯具不断进步发展，并逐渐普及，分布式设计对于散热效果的提升非常有效，促进了LED灯具寿命的延长和性能增强。本研究从分析热耦合出发，对各个影响散热的因素进行分析，并对散热结构设计提出了优化方案，将热场分布设计的更为合理。主要的结论有：以LED灯具热学研究为基础，研究了分布式结构的热特性，提供了模型建立的基础；研究了热场耦合，建立组件热沉的数学模型；分析了肋片散热器设计的注意事项；利用有限元分析法得到了稳态时的控制方程，为ANSYS提供了依据，实现了设计优化。研究成果对提高LED灯具散热性能具有指导意义，为分布式LED灯具设计提供了思路和方法，具有重要意义。

参考文献：

[1]张江滨.LED灯具的散热设计[J].企业科技与发展,2015(12)：37～38.

[2]臧振武.大功率LED灯散热性能研究[J].电子世界,2013(05)：35～36.

[3]张创明，王昌耀，等.大功率LED户外壁灯的热分析与散热设计[J].中国照明电器,2013(04)：16～19.

[4]张光辉.大功率LED照明灯具的配光与散热的研究[J].电子世界,2013(23)：22～23.

[5]李加,葛志晨.基于有限元法的大功率LED灯散散热设计与分析[J].系统仿真技术,2016,12(1)：13～17.

[6]向建化,张春良.大功率LED太阳花相变散热器数值优化研究[J].广州大学学报(自然科学版),2014,14(02)：61～65.