浅谈大功率LED灯具的散热结构设计

张甫江

摘 要：相比于日光灯、白炽灯等传统光源，发光二极管LED以省电、环保、寿命长、全固态、体积小等优点被称为照明绿色光源。随着取出荧光粉量子效率以及芯片封装制造技术的不断提升，从性能与结构上来看，LED取得了不小进步。文章探讨大功率LED灯具散热结构设计，希望能在日常照明及汽车照明等诸多领域得到推广与应用。

关键词：LED灯具  大功率  普通照明  互通式散热结构

中图分类号：TN305 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（c）-0036-01

LED技术独特的优势给照明领域带来日新月异的变化，而大功率LED灯具照明也越来越多地被使用。但大功率LED照明在给人们带来便捷生活的同时，也存在一些问题，如该文中要分析的大功率LED灯具散热问题。大功率LED灯具的使用寿命直接受到其散热结构的直接影响，可以说在整个灯具散热问题上，设计散热器结构是关键一环。

1 大功率LED灯具寿命受温度影响

对于大功率LED灯具而言，在温度的影响下，分别在电极引线、环氧树脂、芯片等方面发生失效。电极引线能够承受很强的震动及电流冲击，但因环氧树脂，在高温条件下，芯片材料与电极引线的热膨胀系数不同，产生的变形也不同，导致失效，如发生引线断裂等。环氧树脂是指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物。为了将LED使用寿命有效提高，所使用的材料必须具有相近的热系数。

2 LED灯具散热器

从能量意义上来看，热其实只是传递能量的形式，而并非能量。当外界能量冲击分子，能量由高能分子传递给低能分子，从微观角度进行分析，能量的传递就是热。而热量的3种传递方式由辐射、对流、热传导。除了LED芯片外，LED灯具散热器接触导热良好与否是确保LED灯具稳定照明的关键因素。因此，对LED散热器的制作、结构、安装等工作进行充分考虑是必要的。通过热对流与热传导，LED散热器将热量疏散到空气中，散热器利用导热能力的提升与散热有效面积的增加来提高自身散热性，以应对LED灯具的正常照明。从上述内容来看，LED散热器的工作主要是散热和防护。

3 设计优化散热器

350 mA、700 mA、1 A都是大功率型LED驱动电流，大功率加速荧光粉的老化，降低出光率，LED芯片内部的热量积聚，这些问题都大大缩减了散热器寿命。LED最大功率会受封装结构设计优化程度与LED芯片热沉材料热导率的高低等的影响。

3.1 LED灯具散热设计方法的选择

LED散热设计通常选用流体动力学软件仿真，流体的固体边界和黏性对流体流动的阻力所产生的影响，使流动中的流体受到局部和沿程阻力的干扰，对此，LED散热器的设计科采用自然散热的方式，实际需求外轮廓图可按照相关约束条件进行设计;针对LED灯具散热器的散热器基板厚度、散热齿间距、散热齿形状、散热齿厚度等，按照散热器相关设计准则进行优化设计;最后进行校验。

3.2 自然冷却散热器设计

考虑到自然冷却时边界层温度较厚等情况，若齿之间距离过小，就容易交叉各自的热边界，会干扰到齿表面的对流。一般情况下，自然冷却散热器间距超过12 mm，如果散热器齿低于10 mm，散热器齿间距则应按照齿间距离超过1.2倍齿高的原则决定。发黑处理自然冷散热器是为了增强辐射换热，同时增加散热器表面辐射系数。要想散热器能承载瞬时热负荷，其基板和齿厚应确保超过5 mm的厚度。

4 PCB板加散热片

在LED芯片电路PCB板的背面附着散热片（如图1所示），如铝板冲压件等，适用于实际计算结温超出理论设计上限结温的情况。图1中，231为正对于空心柱的散热鳍片;232为非正对于空心柱的散热鳍片;25为空心柱;252为外侧壁。空心柱的四面外侧壁均对应一朝外发散的辐射区域，每个辐射区域所在的散热鳍片垂直于该区域所对应的外侧壁，散热鳍片与空心柱有一距离且在空心柱的外围形成“井”字形通道，底座是一体成型的。本散热结构的LED灯，一圈散热鳍片能够前后左右互通，其通风效果好，进一步提高了散热性能。（见图1）

例如，一旦发生该情况，在实际计算结温为103 ℃的PCB背后附着一块10 ℃/W热阻的散热片，那么实际计算结温可控制在90 ℃以下，确保、延长了大功率LED灯具使用寿命。以灯具总热阻和总体散热为前提来设计大功率LED整体散热方案，要尽量降低总热阻，需要降低各种不同介质自身热阻、选用的导热胶还应具有很高导热性、以及改变结合导热胶的各种介质的界面热阻。

5 结语

高安全性、长寿面、应用灵活、环保、节能、高效等是发光二极管的优点，LED技术在不断的应用与实践中取得了进步，但LED产品热量的快速聚集的问题限制了大功率LED发展，为致力于大功率LED光效及使用寿命的延长等问题，简要分析大功率LED灯具散热结构，除了文章中提到的设计外，还应重视散热片的选择，散热片采用带翅片的铝材或铜材，在安装时还应确保基板与灯具散热片接触面的结合程度。本文着手大功率LED散热问题，通过对大功率LED灯具散热结构分析，将其结构设计进行优化，优质了大功率LED灯具照明，有效改善散热，将LED光源芯片所产生的热量迅速散发，实现了其经济效益的提升。

参考文献

[1] 施晓红，陈超中，李为军，等.聚焦LED灯具和LED光源的基本概念[J].中国照明电器，2010（10）：33-36.

[2] 刘卫国，宋颖，邹俊林，等.LED灯模拟作物间作套种群体内光环境的设计与应用[J].农业工程学报，2011（8）：288-292.

[3] 邓欣，涂耘.高压钠灯与LED灯在公路隧道中的应用对比分析[J].公路交通技术，2012（6）：114-119.

摘 要：相比于日光灯、白炽灯等传统光源，发光二极管LED以省电、环保、寿命长、全固态、体积小等优点被称为照明绿色光源。随着取出荧光粉量子效率以及芯片封装制造技术的不断提升，从性能与结构上来看，LED取得了不小进步。文章探讨大功率LED灯具散热结构设计，希望能在日常照明及汽车照明等诸多领域得到推广与应用。

关键词：LED灯具  大功率  普通照明  互通式散热结构

中图分类号：TN305 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（c）-0036-01

LED技术独特的优势给照明领域带来日新月异的变化，而大功率LED灯具照明也越来越多地被使用。但大功率LED照明在给人们带来便捷生活的同时，也存在一些问题，如该文中要分析的大功率LED灯具散热问题。大功率LED灯具的使用寿命直接受到其散热结构的直接影响，可以说在整个灯具散热问题上，设计散热器结构是关键一环。

1 大功率LED灯具寿命受温度影响

对于大功率LED灯具而言，在温度的影响下，分别在电极引线、环氧树脂、芯片等方面发生失效。电极引线能够承受很强的震动及电流冲击，但因环氧树脂，在高温条件下，芯片材料与电极引线的热膨胀系数不同，产生的变形也不同，导致失效，如发生引线断裂等。环氧树脂是指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物。为了将LED使用寿命有效提高，所使用的材料必须具有相近的热系数。

2 LED灯具散热器

从能量意义上来看，热其实只是传递能量的形式，而并非能量。当外界能量冲击分子，能量由高能分子传递给低能分子，从微观角度进行分析，能量的传递就是热。而热量的3种传递方式由辐射、对流、热传导。除了LED芯片外，LED灯具散热器接触导热良好与否是确保LED灯具稳定照明的关键因素。因此，对LED散热器的制作、结构、安装等工作进行充分考虑是必要的。通过热对流与热传导，LED散热器将热量疏散到空气中，散热器利用导热能力的提升与散热有效面积的增加来提高自身散热性，以应对LED灯具的正常照明。从上述内容来看，LED散热器的工作主要是散热和防护。

3 设计优化散热器

350 mA、700 mA、1 A都是大功率型LED驱动电流，大功率加速荧光粉的老化，降低出光率，LED芯片内部的热量积聚，这些问题都大大缩减了散热器寿命。LED最大功率会受封装结构设计优化程度与LED芯片热沉材料热导率的高低等的影响。

3.1 LED灯具散热设计方法的选择

LED散热设计通常选用流体动力学软件仿真，流体的固体边界和黏性对流体流动的阻力所产生的影响，使流动中的流体受到局部和沿程阻力的干扰，对此，LED散热器的设计科采用自然散热的方式，实际需求外轮廓图可按照相关约束条件进行设计;针对LED灯具散热器的散热器基板厚度、散热齿间距、散热齿形状、散热齿厚度等，按照散热器相关设计准则进行优化设计;最后进行校验。

3.2 自然冷却散热器设计

考虑到自然冷却时边界层温度较厚等情况，若齿之间距离过小，就容易交叉各自的热边界，会干扰到齿表面的对流。一般情况下，自然冷却散热器间距超过12 mm，如果散热器齿低于10 mm，散热器齿间距则应按照齿间距离超过1.2倍齿高的原则决定。发黑处理自然冷散热器是为了增强辐射换热，同时增加散热器表面辐射系数。要想散热器能承载瞬时热负荷，其基板和齿厚应确保超过5 mm的厚度。

4 PCB板加散热片

在LED芯片电路PCB板的背面附着散热片（如图1所示），如铝板冲压件等，适用于实际计算结温超出理论设计上限结温的情况。图1中，231为正对于空心柱的散热鳍片;232为非正对于空心柱的散热鳍片;25为空心柱;252为外侧壁。空心柱的四面外侧壁均对应一朝外发散的辐射区域，每个辐射区域所在的散热鳍片垂直于该区域所对应的外侧壁，散热鳍片与空心柱有一距离且在空心柱的外围形成“井”字形通道，底座是一体成型的。本散热结构的LED灯，一圈散热鳍片能够前后左右互通，其通风效果好，进一步提高了散热性能。（见图1）

例如，一旦发生该情况，在实际计算结温为103 ℃的PCB背后附着一块10 ℃/W热阻的散热片，那么实际计算结温可控制在90 ℃以下，确保、延长了大功率LED灯具使用寿命。以灯具总热阻和总体散热为前提来设计大功率LED整体散热方案，要尽量降低总热阻，需要降低各种不同介质自身热阻、选用的导热胶还应具有很高导热性、以及改变结合导热胶的各种介质的界面热阻。

5 结语

高安全性、长寿面、应用灵活、环保、节能、高效等是发光二极管的优点，LED技术在不断的应用与实践中取得了进步，但LED产品热量的快速聚集的问题限制了大功率LED发展，为致力于大功率LED光效及使用寿命的延长等问题，简要分析大功率LED灯具散热结构，除了文章中提到的设计外，还应重视散热片的选择，散热片采用带翅片的铝材或铜材，在安装时还应确保基板与灯具散热片接触面的结合程度。本文着手大功率LED散热问题，通过对大功率LED灯具散热结构分析，将其结构设计进行优化，优质了大功率LED灯具照明，有效改善散热，将LED光源芯片所产生的热量迅速散发，实现了其经济效益的提升。

参考文献

[1] 施晓红，陈超中，李为军，等.聚焦LED灯具和LED光源的基本概念[J].中国照明电器，2010（10）：33-36.

[2] 刘卫国，宋颖，邹俊林，等.LED灯模拟作物间作套种群体内光环境的设计与应用[J].农业工程学报，2011（8）：288-292.

[3] 邓欣，涂耘.高压钠灯与LED灯在公路隧道中的应用对比分析[J].公路交通技术，2012（6）：114-119.

摘 要：相比于日光灯、白炽灯等传统光源，发光二极管LED以省电、环保、寿命长、全固态、体积小等优点被称为照明绿色光源。随着取出荧光粉量子效率以及芯片封装制造技术的不断提升，从性能与结构上来看，LED取得了不小进步。文章探讨大功率LED灯具散热结构设计，希望能在日常照明及汽车照明等诸多领域得到推广与应用。

关键词：LED灯具  大功率  普通照明  互通式散热结构

中图分类号：TN305 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（c）-0036-01

LED技术独特的优势给照明领域带来日新月异的变化，而大功率LED灯具照明也越来越多地被使用。但大功率LED照明在给人们带来便捷生活的同时，也存在一些问题，如该文中要分析的大功率LED灯具散热问题。大功率LED灯具的使用寿命直接受到其散热结构的直接影响，可以说在整个灯具散热问题上，设计散热器结构是关键一环。

1 大功率LED灯具寿命受温度影响

对于大功率LED灯具而言，在温度的影响下，分别在电极引线、环氧树脂、芯片等方面发生失效。电极引线能够承受很强的震动及电流冲击，但因环氧树脂，在高温条件下，芯片材料与电极引线的热膨胀系数不同，产生的变形也不同，导致失效，如发生引线断裂等。环氧树脂是指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物。为了将LED使用寿命有效提高，所使用的材料必须具有相近的热系数。

2 LED灯具散热器

从能量意义上来看，热其实只是传递能量的形式，而并非能量。当外界能量冲击分子，能量由高能分子传递给低能分子，从微观角度进行分析，能量的传递就是热。而热量的3种传递方式由辐射、对流、热传导。除了LED芯片外，LED灯具散热器接触导热良好与否是确保LED灯具稳定照明的关键因素。因此，对LED散热器的制作、结构、安装等工作进行充分考虑是必要的。通过热对流与热传导，LED散热器将热量疏散到空气中，散热器利用导热能力的提升与散热有效面积的增加来提高自身散热性，以应对LED灯具的正常照明。从上述内容来看，LED散热器的工作主要是散热和防护。

3 设计优化散热器

350 mA、700 mA、1 A都是大功率型LED驱动电流，大功率加速荧光粉的老化，降低出光率，LED芯片内部的热量积聚，这些问题都大大缩减了散热器寿命。LED最大功率会受封装结构设计优化程度与LED芯片热沉材料热导率的高低等的影响。

3.1 LED灯具散热设计方法的选择

LED散热设计通常选用流体动力学软件仿真，流体的固体边界和黏性对流体流动的阻力所产生的影响，使流动中的流体受到局部和沿程阻力的干扰，对此，LED散热器的设计科采用自然散热的方式，实际需求外轮廓图可按照相关约束条件进行设计;针对LED灯具散热器的散热器基板厚度、散热齿间距、散热齿形状、散热齿厚度等，按照散热器相关设计准则进行优化设计;最后进行校验。

3.2 自然冷却散热器设计

考虑到自然冷却时边界层温度较厚等情况，若齿之间距离过小，就容易交叉各自的热边界，会干扰到齿表面的对流。一般情况下，自然冷却散热器间距超过12 mm，如果散热器齿低于10 mm，散热器齿间距则应按照齿间距离超过1.2倍齿高的原则决定。发黑处理自然冷散热器是为了增强辐射换热，同时增加散热器表面辐射系数。要想散热器能承载瞬时热负荷，其基板和齿厚应确保超过5 mm的厚度。

4 PCB板加散热片

在LED芯片电路PCB板的背面附着散热片（如图1所示），如铝板冲压件等，适用于实际计算结温超出理论设计上限结温的情况。图1中，231为正对于空心柱的散热鳍片;232为非正对于空心柱的散热鳍片;25为空心柱;252为外侧壁。空心柱的四面外侧壁均对应一朝外发散的辐射区域，每个辐射区域所在的散热鳍片垂直于该区域所对应的外侧壁，散热鳍片与空心柱有一距离且在空心柱的外围形成“井”字形通道，底座是一体成型的。本散热结构的LED灯，一圈散热鳍片能够前后左右互通，其通风效果好，进一步提高了散热性能。（见图1）

例如，一旦发生该情况，在实际计算结温为103 ℃的PCB背后附着一块10 ℃/W热阻的散热片，那么实际计算结温可控制在90 ℃以下，确保、延长了大功率LED灯具使用寿命。以灯具总热阻和总体散热为前提来设计大功率LED整体散热方案，要尽量降低总热阻，需要降低各种不同介质自身热阻、选用的导热胶还应具有很高导热性、以及改变结合导热胶的各种介质的界面热阻。

5 结语

高安全性、长寿面、应用灵活、环保、节能、高效等是发光二极管的优点，LED技术在不断的应用与实践中取得了进步，但LED产品热量的快速聚集的问题限制了大功率LED发展，为致力于大功率LED光效及使用寿命的延长等问题，简要分析大功率LED灯具散热结构，除了文章中提到的设计外，还应重视散热片的选择，散热片采用带翅片的铝材或铜材，在安装时还应确保基板与灯具散热片接触面的结合程度。本文着手大功率LED散热问题，通过对大功率LED灯具散热结构分析，将其结构设计进行优化，优质了大功率LED灯具照明，有效改善散热，将LED光源芯片所产生的热量迅速散发，实现了其经济效益的提升。

参考文献

[1] 施晓红，陈超中，李为军，等.聚焦LED灯具和LED光源的基本概念[J].中国照明电器，2010（10）：33-36.

[2] 刘卫国，宋颖，邹俊林，等.LED灯模拟作物间作套种群体内光环境的设计与应用[J].农业工程学报，2011（8）：288-292.

[3] 邓欣，涂耘.高压钠灯与LED灯在公路隧道中的应用对比分析[J].公路交通技术，2012（6）：114-119.