LED灯具的散热及可靠性分析

陈彪彪

（广东永和建设集团有限公司 广东广州 510006）

作为新一代的照明光源，大功率发光二极管LED具有节能、环保、发光效率高、响应速度快，寿命长等突出优点，但LED的发光效率约为20%，剩下的80%的能量都转换成热量，热量使大功率LED的温度上升，导致工作电压减小，光强减小，光波长变长，严重影响LED的可靠性与使用寿命[1～2]。

LED灯具一般由多颗点光源组成，为了保证器件正常工作，对灯具散热管理很重要，良好的散热设计是灯具质量及可靠性的保障。本文介绍了LED灯具的基本特点；从热力学的角度，简单分析了LED热传导的过程，热对流与热辐射机理；探讨了影响LED灯具可靠性的因素。

1 关于LED灯具

LED灯具的关键技术包括LED光源、驱动电源、电路结构、散热管理和配光，简单地说，就是光（透镜的配光）、色（光的品质）、电（电路设计）、热（散热设计）四部分，而把这四大功能相结合的就是结构的设计。

LED灯具通常由不同的部件通过结构设计拼装成型，LED光源通过散热器上的螺丝孔位或弹簧卡扣与灯具外壳连接固定，完成机械结构连接；能量接口采用连接导线完成电源驱动器与光源的连通，灯具通电后，半导体发出的光通过透镜照射到工作面上。

光源模块是一个集合配光、散热及防护等级功能精心设计的组合，是灯具的核心部分；在配光方面，采用二次光学透镜设计，可以实现所需要的各种照明效果；在散热方面，采用模块化设计，光源热分散了，通过优化散热设计，可以大大降低芯片结温，提高照明效率。

2 LED灯具的散热分析

LED灯具散热是一个系统工程，本节以LED光源模块为分析对象，从热力学的角度，分析LED的热传导过程；在整个灯具散热时，分析了热对流与热辐射机理。

2.1 LED热传导

LED的散热管理要通过封装来实现，对于封装好的LED灯珠，电流流过芯片，发生电光转换机理，一部分转换为光能，另一部分转换为热能。第一层级的热传导是封装，主要是将热量从芯片导出来，热量由芯片流经封装支架；第二层级的热传导通过LED灯珠的焊接实现，LED灯珠焊接在铝基线路板上，完成热量传递和LED灯珠间的电器连接；第三层级的热传导在铝基线路板与散热器之间，散热器吸收铝基线路板上的热量；第四层级的热量一部分通过热传导至灯具外壳，另外一部分将由散热器散发到空气中。如图1所示为LED从芯片到空气的热传导示意图。

图1 LED热传递过程

热传导的效率决定于热流通道的热阻[3]，必须设计一个热流通道将LED芯片所发出的热能逐层传递到散热器上。热流通道上的每个环节都存在热阻，该热阻影响两连接端的温度差，通过减小接触界面的热阻，可以大大提高传热效率，选择良好的热传导介面材料对散热的影响至关重要。

2.2 LED灯具热对流与热辐射

自然对流依靠的是由空气密度差引起的浮升力，流量一般较小，流体内温度梯度也小，因而其换热效率较低，可通过适当设计灯具散热片间距可增强肋间气流的扰动，使换热系数增大。自然对流依靠温差驱使流体流动和将热量传递给流体，对流速度由温度场产生并反过来又影响温度场。热辐射是以辐射波的形式达到热交换的目的，通过我们前期的试验对比，对散热器和灯具外壳，适当的表面处理，辐射能力可大大增强。

散热器与灯具外壳的机械连接完成热传导，整个灯具与空气间的散热依赖于对流和辐射；通过优化散热器结构，结合整个灯具的结构设计，形成垂直自然对流，大大提高散热效率。

3 LED路灯的可靠性

LED的寿命长，目前理论上可以达到10万h之久，但是由于受到LED驱动电源和其他零固件寿命的影响，从而使得LED灯具系统的寿命达不到10万h。灯具的可靠性可分为光源模块的可靠性，电源的可靠性，以及灯具材料结构的可靠性[4]。本节通过散热管理和防护等级讨论灯具的可靠性。

3.1 散热管理

LED灯具故障大约70%来自于LED芯片温度过高，在负载为额定功率的一半的情况下，温度每升高20℃，故障率就上升一倍，结温的升高会导致器件各方面性能的变化与衰减，散热管理的最终目标是降低LED芯片结温，一般来讲，结温要保持在125℃以下以避免失效，从而延长LED的使用寿命。

对于LED光源模块，热传导主要发生在LED芯片与基板、散热器之间，热传导的效率决定于热流通道的热阻，必须设计一个热流通道将LED芯片所发出的热能传递到散热器上。通过前面的分析，通过减小接触界面的热阻，可以大大提高传热效率。

当热量从芯片传导出来至散热器与灯具外壳，散热器和灯具对空气的散热，主要由热对流和热辐射机制决定。通过优化散热器设计，达到最大的与空气对流换热效率；对散热器做表面处理，加强辐射散热。散热管理的最终目标是降低LED芯片结温，最终提高LED灯具的可靠性。

3.2 防护等级

LED芯片十分脆弱，细微的划伤就可能伤及电极，从而使得器件失效。如果长期暴露在空气中的芯片会被氧化。芯片通过封装，可以保护发光芯片不受机械、热、潮湿及其他外部影响，达到一次防护目的。

对于室内灯具，防护等级要求较低，达到灯具的安全规定要求。对于户外灯具，环境多变，对LED灯具的耐候性要求高，灯具材料要求防高低温，抗紫外线辐射，光源模块的防护等级高。电源驱动通过灌注耐寒、耐高温、导热性好、绝缘性好、阻燃性好的防水胶，将整个LED灯具的能量接口系统处于高防护状态，保证了长期使用的可靠性。

根据不同使用场合设计LED灯具结构，通过良好的散热管理和高防护级别，灯具整体的可靠性大大提高，寿命使用延长，最大的获得新技术带来的便利。

[1]刘木清，主编．LED 及其应用技术[M]．北京：化学工业出版社，2013．

[2]张正道．LED 灯具散热设计概述[J]．光源与照明，2017，3．

[3]段绣娟，靳斌，等．基于大功率LED灯网的四热阻自动测量仪[J]．西华大学学报（自然科学版），2017（6）．

[4]陈彪彪，吕桂红．白光LED路灯的应用及分析[J]．中国科技纵横，2015，6．