大功率LED散热结构的优化设计

马验宗，张忠山，智郁雯，陈鹏宇,严一民

(电子科技大学 a.物理电子学院;b.通信与信息工程学院，成都 610054)

·学生实验园地·

大功率LED散热结构的优化设计

马验宗a，张忠山a，智郁雯a，陈鹏宇b,严一民a

(电子科技大学 a.物理电子学院;b.通信与信息工程学院，成都 610054)

大功率LED与传统光源相比优势明显，应用前景非常广阔。但由于体积小，发热集中，LED芯片不能承受高温等原因，散热问题成为了制约大功率LED发展的主要原因。该文结合三维模型设计软件Pro/Engineer 5.0和流体传热分析软件FloEFD PRO12.1对5 W的LED的散热模型进行建模和热仿真，运用控制变量的方法来探索散热器翅片厚度、曲率及微结构对散热性能的影响规律，并依据规律对散热器结构进行优化。

大功率LED；热仿真；翅片；散热器结构；Pro/Engineer 5.0软件

LED被誉为第四代光源， 具有传统光源无法比拟的优点，如高效节能、超长寿命、安全系数高等。而单颗功率在1 W以上的大功率LED在工程应用上比传统的LED更具优势，用途更广泛，常见的应用场合有管道灯、交通信号灯、路灯、车灯及家用照明等。基于以上优点，各国都在大力发展LED 产业，LED照明日趋成为主流[1]。各LED强国和地区的优势各有侧重：美国在LED外延和芯片领域的优势突出，其半导体照明产业集中度比较高[2]，爱达荷州的一家创业公司Rohinni正在做这么一件酷炫的产品LightPaper——全世界最轻的LED；日本在LED衬底材料、GaN基外延层、LED散热基板材料技术等方面走在行业前列[3]；中国台湾地区在LED封装技术上处于领先地位。此外，韩国和欧盟凭借雄厚的科技实力后来居上，在LED照明和显示中也有不俗的发展。

由于大功率LED电光转换率不高，产热集中，散热是制约大功率LED普及的主要问题。散热问题不解决，会导致发光效率降低和使用寿命缩短。

本文针对LED存在的散热问题进行分析，主要集中对散热器的翅片厚度、翅片曲率、微结构进行分析，利用三维软件建立散热器模型，运用计算流体分析软件对散热器的性能进行数值模拟分析，依据规律对散热器进行优化设计。

1 散热因素分析

散热器的主要作用是将LED芯片工作中产生的热量不断导出并散发到周围环境中，保证LED灯具能够正常工作。散热器的质量主要取决于散热器的热阻。热阻是指反应阻止热量传递能力的综合参数，热阻越小，散热器导热、散热效果越好。

1.1 散热器本身导热热阻

散热器导热热阻可用以下公式计算：

(1)

式中，RD为散热器本身导热热阻，℃/W;T1为与铝基板接触点处散热器的温度;T2为散热器外表面平均温度;W为LED灯总功率。

另外，根据能量守恒定律，热平衡后的LED灯产生的热量与散热器自身导出的热量是相等的，可表示为QC=QD+QZ(从灯罩散出的热量很少，为便于分析，在此忽略不计)，其中

QC=aW

(2)

(3)

式中，QC为LED工作时产生的热量；QD为散热器本身导出的热量；T1为散热器与铝基板接触点处的温度；T2为散热器外表面平均温度；a为LED产热系数；W为LED灯实际功率；b为散热器材料综合热导率；s为散热器平均传热面积；L为散热器热传导平均距离。

对特定散热器的b、s、L值是一定的，因此式(3)可简化成

QD=m(T1-T2)

其中，m=bs/L，经推导可知，

m(T1-T2)=aW

因此

(T1-T2)=aW/m

代入式(1)可得，RD=a/m。

由以上可以看出，对于特定散热器，在LED灯功率一定的情况下，散热器的热阻是一个定值。另外，在热阻计算中W代表的是LED的总功率，而LED在工作中,一部分功率用于发光，另一部分功率则转换为热能。因此，既然是计算热阻，公式中的W换成产热功率(aW)更为科学。这样，有

RD=1/m=L/(bs)

即是说散热器本身热阻和电阻一样，是一个仅跟散热器本身参数有关的常数。它与散热器平均传热距离成正比，与散热器平均传热面积、散热器材料热导率成反比。

1.2 散热器表面到环境的散热热阻

散热器表面到环境空气的散热热阻Rs为

(4)

式中，Rs为散热器表面到环境的散热热阻；T2为散热器外表面平均温度；T3为环境温度；W为LED功率；a为LED产热系数。

散热器表面向环境散热主要以对流为主，其次是辐射，热传导很小可以忽略不计。散热器的对流及辐射散热公式如下

QL=c(T2-T3)S

(5)

QF=d(T2-T3)S

(6)

式中，QL为散热器表面到环境的对流散热量；QF为散热器表面到环境的辐射散热量；c为散热器周围环境的自然对流系数；d为散热器表面材料的辐射系数；S为散热器外表面积；T2为散热器表面平均温度；T3为环境温度。

根据能量守恒定律，LED灯热平衡后

QC=QD+QZ=QS+QZ=QL+QF+QZ

即

aW=c(T2-T3)S+d(T2-T3)S

对于不同散热器，当产热一定时，由式(5)和式(6)可知，散热面积、对流系数、辐射系数越大，(T2-T3)就越小。也就是说，散热器的散热热阻不仅与自身的散热面积和散热器表面的辐射系数有关，还与LED灯所处环境的通风情况，即与周围空气的自然对流系数有关，是一个可变量。

1.3 散热器到环境的总热阻

散热器的总热阻等于散热器本身导热热阻加上散热器表面到环境的散热热阻，散热器到环境的热阻为：

(7)

综上所述，散热器的总热阻不仅与散热器的散热面积、几何尺寸、表面材料的辐射系数等自身因素有关，还受LED的产热功率及周围环境的对流系数等外部因素的影响，不是恒定的数值[4]。

优化散热器的散热性能，其实质是减少散热器到空气的总热阻。可通过改善散热器与空气的接触面积及散热器的空气流通性等措施来降低散热器到空气的热阻。可通过对5 W的LED建立三维模型和热仿真来优化散热器结构，提高其散热性能。

2 建模和仿真

在实验中，使用的软件有Pro/Engineer5.0和FloEFD.Pro12.1。Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司(PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件，在目前的三维造型软件领域占有重要地位，在国内产品设计领域得到业界的广泛认可和推广。FloEFD 是Mentor Graphics 公司Mechanical Analysis部门的通用计算流体力学软件，可以完全嵌入三维机械 CAD 环境中，是高度工程化的通用流体传热分析软件，真正实现了仿真分析流程与设计流程的无缝结合，成为从事流动、换热相关产品开发 / 设计工程师的高效工具[5]。FloEFD.Pro是FloEFD无缝集成在Pro/Engineer中的版本。

实验中，本文采用铝作为主体材料，对散热器的一些结构参数，如翅片曲率、翅片厚度、翅片表面结构等进行仿真和优化。

图1 扇形散热器三维模型图

整个过程中的热量通道由上而下是：灯珠—铝基板—散热器。灯珠产生的热量传递给铝基板，铝基板具有均热的作用，再将热量均匀传递给散热器，由散热器和空气交换热量。

2.1 散热性能与翅片厚度的关系

在4个散热器中只存在厚度这一个变量，其他参数均一致，从而可以有效地对比出厚度对于整个散热器效果的影响。散热器参数如表1所示。

经过FLoEFD仿真得到的数据整理得到翅片厚度与散热器温度的关系，如图2所示。

表1 散热器翅片厚度参数表

图2 不同翅片厚度的散热器温度数据图

特别说明：SG 平均值温度(固体) 1表示灯珠表面平均温度；SG 平均值温度(固体) 2表示铝基板表面平均温度；VG 平均值温度(固体) 1表示散热器体积平均温度。

在各项参数都一致的情况下，对比发现，随着翅片厚度的增加，散热器达到稳定时温度也会随之升高，使得散热器的散热能力降低。分析得知：翅片厚度的选择应该稍薄，可选择在0.3 mm左右。若翅片过厚，热通道的距离会增加，热阻就增大，散热效果会下降，而且增加了制作散热器的原材料，增大了成本；若翅片过薄，则不能抗击瞬时热负荷的冲击，以至于损毁散热器[7]。

2.2 散热性能与翅片曲率的关系

散热器的参数如表2所示。

表2 散热器翅片曲率参数表

经过FLoEFD仿真得到的数据如图3所示。

对比各散热器的散热效果，在各项条件都一致的情况下，发现曲率越小的散热器，达到稳定时的温度越低，翅片垂直圆柱的散热效果最好。由此可以得到：尽管把翅片做成一定弧度可以在有限的体积下获得更多的与空气的接触面，然而弯曲的翅片也会降低自然对流系数，使得热阻增加，总体的散热效果反而下降，并且还增加了制作散热器的原材料，得不偿失。

图3 不同翅片曲率的散热器温度数据图

2.3 散热性能与微结构之间的关系

微结构散热器各个参数如表3所示。

表3 散热器翅片微结构参数表

经过FLoEFD仿真得到的数据整理得到翅片微结构与散热器温度的关系，如图4所示。

图4 不同翅片表面微结构的散热器温度数据图

分析微结构(翅片表面插入半圆柱结构)对散热的影响。在不改变圆柱之间的圆心距时，圆柱的半径为0.25 mm，比圆柱半径为0.5 mm的散热器达到稳定时的温度要低，但仅仅比没有微圆柱的翅片的散热器稳定温度要略低。说明散热器的微圆柱结构在一定程度上增加了翅片的导热面积，但由于微结构引起了厚度的增加和表面的不平整，会阻碍对流系数，热阻也会有所增加。总的来说，微结构对散热器的影响不是很明显，如果要实现微结构，在加工方面也会有一定的难度，还会增加材料的使用，增大成本。所以，不建议采用这种微结构。

2.4 优化模型

结合前面3次仿真实验得出的结论，本文提出了3个经过优化的模型，如图5所示。

图5 优化后的散热器三维模型

经过FLoEFD仿真出来的结果如图6所示。

图6 优化模型仿真得到的温度数据图

从图6可以看出：

1)编号为D1的散热效果是非常好的。无论是灯珠表面的平均温度、铝基板的表面平均温度还是散热器的体积平均温度都比先前提出的模型温度要低上1～3 K，只有326 K左右。同时也是使用铝材较少的，在成本上有优势。

2)相比前者，编号D2的散热效果更优，主要因为其采用了更大的换热面。需要注意的是此种结构的散热器会增加铝材的使用，成本有所提高。

3)编号D3的散热器的总体散热效果没有前两者优良，但它的散热器体积温度却是所有模型中最低的。这主要得益于自身的多孔结构，使散热器翅片间的空气流动加快，加速了热交换。同时它的灯珠表面温度和铝基板表面温度稳定在328 K上下，也在可以接受的范围内。采用此种结构的另外一个好处就是可以大大地减少铝材的使用。

3 结束语

[1]WINDER S .LED驱动电路设计[M].谢运翔，王晓刚，译.北京：人民邮电出版社，2009：5.

[2]毛兴武，张艳雯，周建军，等.新一代绿色光源LED及其应用技术[M].北京：人民邮电出版社，2008：29，30，32，34.

[3]祝大同.日本LED用高导热基板材料发展现状与特点[C]//覆铜板行业协会秘书处.第十一届中国覆铜板技术·市场研讨会论文集.上海：[出版者不详]，2010：93-100.

[4]周志敏，纪爱华.漫步LED世界(灯具设计与工程应用篇)[M].北京：国防工业出版社，2013：81，83.

[5]何汉恩.基于FLOEFD的散热器翅片间距仿真设计[J].硅谷，2014(8):47-49.

[6]刘祖明.图解LED应用从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2013.

[7]韩月.大功率LED灯具散热器设计[D].北京：北京化工大学，2012.

[8]周志敏，纪爱华.大功率LED照明技术设计与应用[M].2版.北京：电子工业出版社，2011：40.

[9]LENK R ，LENK C .Practical lighting design with LEDs/LED[M].王晓刚，刘华，王佳庆，译.北京：人民邮电出版社，2012.

Optimization Design Based on the Heat Radiation Structure of High-power LED

MA Yanzonga，ZHANG Zhongshana，ZHI Yuwena，CHEN Pengyub，YAN Yimina

(a.School of Physical Electronics；b.School of Communication and Information Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China))

Compared to the traditional light source, high-power LED retains decided advantages, along with wide application prospects. However, heat dissipation has been the major obstacle to the further development of high power LED because of its small volume, heat concentration, and bad resistance to high temperature of the LED chip. Through combining the 3D model design software Pro/Engineer 5.0 heat transfer and fluid analysis software FloEFD PRO12.1, one achieves the model and thermal simulation of 5 W LED heat cooling model. In addition, by applying the method of controlled variable，the radiator fin thickness, curvature and the effect laws of microstructure on the heat dissipation performance have further been explored, therefore enable the structure of radiator get further optimized.

high-power LED;thermal simulation; radiator fin; structure of radiator; Pro/Engineer 5.0 software

2014-12-06；修改日期:2015-01-04

电子科技大学2013年大学生创新训练项目。

马验宗(1994-)，男，本科在读，专业方向为电子信息科学与技术。

严一民(1960-)，男，本科，高级工程师，主要从事激光与声学技术研究工作。

B

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.080