巧用结构设计优化大功率LED平板灯的散热

黄文升

（广州市珠江灯光科技有限公司，广东 广州 511442）

巧用结构设计优化大功率LED平板灯的散热

黄文升

（广州市珠江灯光科技有限公司，广东 广州 511442）

散热问题是影响LED灯具性能和寿命的一个重要方面。本文介绍一种新型的LED影视平板柔光灯散热结构设计，使LED灯具的散热达到了比较好的效果。

散热；LED；舞台影视照明；灯具设计

引言

自从上世纪末白光LED诞生以来，LED照明技术得到了飞速的发展。目前LED照明在城市景观、LCD背光板、交通标志、汽车尾灯照明和广告招牌等方面有着广泛的应用。

在舞台影视照明领域，LED光源凭借其光效高、能耗低、寿命长、无污染等众多技术优势，也显示出超强的魅力。2003年，LED PAR灯在国内演艺设备行业首次亮相，标志着LED灯具作为一种新型的绿色光源产品，开始走入舞台影视照明领域。随着LED PAR灯在电视演播室的使用，各种各样的LED影视舞台灯具也迅速发展起来。2008年北京奥运会开闭幕式使用了大量的LED产品，LED灯具大放异彩。当今，LED灯具已经在舞台演出和影视照明领域不断前进，其取代传统光源灯具的趋势不可逆转。

1 散热性能对LED灯具的重要影响

LED是固态光源，发光芯片面积小，工作时通过芯片的电流密度大；而单颗LED芯片的功率比较小，所输出的光通量也较低，所以，在实际应用到照明设备时大多灯具要求由多颗LED光源组合而成，从而使得LED芯片密集度较大。又因为LED光源的光电转换率不高，大约只有15%～35%左右电能转为光输出，其余均转换成为热能，因此当大量LED光源集中工作时，将会产生大量的热能。如果不能使这些热量尽快有效地耗散，会致使LED光源结温上升，减少芯片出射的光子，使色温质量下降，加快芯片老化，缩短器件寿命。因此，对LED灯具散热结构进行热分析和优化设计就变得异常关键。

就LED光源而言，LED芯片与LED基板之间以及LED基板和散热器之间采用热传导的方式进行散热，散热器和大气环境之间采用热对流的方式进行散热。LED光源热量的75%是通过热传导的方式发出，基本不用考虑热辐射的散热情况。为了较好地控制LED的结温，良好的散热设计主要是从以下两方面考虑：一是改善LED发光器件的内部封装结构，提高发热芯片向基板传导热量的能力；二是提高外壳向外界散热的能力。

影视照明灯具是专业照明领域里要求比较高的一种灯具，其要求灯具在使用过程中不能出现色温漂移的现象，而且有很高的噪声要求。这就要求LED灯具设计时要充分考虑灯具的散热：只有具有良好的散热性能，才能保障LED芯片温度在恒定的范围内，而不至于在使用过程中产生色温漂移；在足够散热的条件下尽量减少散热噪声，最好是实现没有噪声的散热。

2 一种新型的散热结构设计

广州市珠江灯光科技有限公司新近推出了一款具有自主专利的LED影视平板柔光灯（如图1）。这款灯采用自然散热方式，不产生任何噪声，很好地满足了影视照明灯具的噪声要求。在散热结构方面，采用了一种新的结构设计，使LED的热量很好地通过空气对流散发到空气中，保证了LED能够在安全的温度范围内工作，从而确保灯具在使用过程中，不会因为温度过高而产生色温漂移和亮度衰减的问题。

2.1 结构

先看这款灯具散热部分的结构（如图2）：

从结构上看，光源部分采用16颗集成式LED光源，分成3组安装在凸起来的传热面上，每组之间就有一条整体的凹槽。在凹槽底部就是散热器的支撑板，支撑板把散热器分隔为两个区域：前面的LED光源安装区域和后面的散热片区域。同时，在凸起部位的两侧各留出一排缺口，切开散热器其中的一边看看缺口的位置（如图3）。还有就是从正面图看到中间凸起部位还有一排通孔。

图1 珠江灯光LED平板柔光灯

图2 灯具散热部分结构

图3 散热器剖开后

2.2 设计原理剖析

从图3可以看到，缺口和通孔都是连通前后两个区域的作用。

此散热系统中，LED的基板是灯具散热系统的传热载体，也是笔者能够接触到的最热的部位。从LED芯片传到基板上的热量，大部分通过散热器传导到散热片上扩散到空气中，而在基板周围的空气受到高温基板的影响，温度也迅速上升。后面区域的温度是通过基板传导到散热片上的热量而上升的，所以其温度上升要比前面区域慢。这样，就导致以支撑板为分隔的前后两个区域存在温度差，而缺口和通孔就是连通这两个有温差的区域的。根据空气流通的原理，当两个区域存在温差时，就会通过这些缺口和通孔进行冷热空气交换，这样就靠自身的结构让空气流动起来（如图4）。前面提到的凹槽就是为了使空气能够在LED周围形成循环流动的风道，让空气流动的范围达到整个区域。

因为前后两个区域对传来的热量存在时间差，所以在灯具使用的过程中，它们永远无法达到真正的热平衡，会一直进行冷热空气的流动热交换。因此这两个区域的空气流动是永远不会停止的。

也是因为有了永不停止的热交换空气流动，使得灯具的散热效果大大提升。研发人员在设计过程中做了多种情况的温度测试，最终结果就是现在的结构达到最好的散热效果。在模拟的空气冷热交换流动图（如图5）中可以看到，通孔起到了非常重要的作用。

图4 散热器剖面图

图5 空气冷热交换流动模拟图

表1 两种结构测试温度对比

图6 有缺口和通孔的结构测试的温度分布图

图7 封住缺口和通孔的结构测试的温度分布图

2.3 测试

为了验证这种结构的有效性，研发人员反复地做了一项对比测试：将两组灯具，第一组是按照本文所述的结构设计，第二组是将所有的缺口和通孔都封起来，放在相同条件（温度为31.5℃、湿度为55%、无风扇）下的恒温恒湿箱进行测试，灯具热平衡后，利用红外测温仪测量出两组结构的热分布情况（仪器数据显示见图6、图7）。从中可见，第二组的最高温度点达到了55.7℃，而第一组的最高温度点仅50.7℃。即第二组无论是最高温度、平均温度还是最低温度，都比第一组高5℃左右。数据见表1。这个测试充分证明了此种散热结构的有效性。

从以上实例可以很清楚地看到，这款产品在结构设计上，充分考虑了空气力学方面的相关特性，在结构上巧妙地利用这些特性，使LED的散热达到了比较好的效果，为以后同类LED灯具的散热设计提供了很好的参考。

黄文升，汕头大学机电系毕业，广州市珠江灯光科技有限公司研发项目经理，工程师，主要从事LED舞台照明产品的研发，特别对LED的光质、光学、散热及灯具系统集成方面研究多年，获得多项专利。主导设计的《模块化主题演艺系统集成技术研发及典型应用——多媒体数字灯的研发与应用》获得文化部科技提升计划项目专家验收通过。

（编辑 张冠华）

As Ingenious Use of Structural Design in Optimization of High Power LED Flat Light Heat Dissipation

HUANG Wen-sheng

（PR Lighting Ltd., Guangzhou Guangdong 511442, China）

Heat dissipation is an important problem of performance and life of LED light. In this paper a new type of heat dissipation structure design in LED video tablet soft light was introduced, so as to lead in better effect of LED light heat dissipation.

heat dissipation; LED; stage film and television lighting; lighting design

10.3969/j.issn.1674-8239.2014.11.002