大功率LED灯散热设计技术

曾传锐　陈继榕　吴赵平

摘 要：大功率LED灯在发光效率、使用寿命和光输出定向性等技术参数方面的性能均优于常规高压钠灯，因此被广泛应用于多个领域，尤其是在道路照明领域的应用非常普遍。散热性能差是大功率LED非常突出的一个问题，并且灯具的散热性能在一定程度上也会影响灯具的使用寿命，因而要使大功率LED灯具得到更广泛的应用，就必须解决散热问题。本文将在结构、材料等方面提出可行的设计方案，旨在优化大功率LED的散热性能，降低其应用约束条件。

关键词：大功率LED；灯具；散热性；构成形式

中图分类号：TN312 文献标志码：A

LED灯在产生光能的同时，也有一部分电能转换成热能导致LED灯具内部温度升高，当灯具内部温度超过允许界限之后可能会降低LED的发光效率、烧坏LED晶片、缩短其使用寿命，并且LED的产热量与LED的功率成正比。可见散热问题是大功率LED应用和发展的最大阻碍，而如何使这部分热量快速散发出去是业内人士普遍关注的问题。

1 大功率LED灯的散热分析

1.1 大功率LED灯的产热及散热过程

LED灯的发热源：成品LED的光源就是LED的发热源，LED输入功率的70%左右将以热量的形式发散出去。从照明原理及其基本架构来看，可概括为“一源两面”。“一源”指的是LED的光源，用来充当照明所需的光输出；“两面”分别指发光面和发热面。

导热器件及均热器件：导热器件及均热器件通常是指PCB板子上的金属（一般为铝材质的）部分，常被称作“一次器件”。导热器件和均热器件的主要功能是将LED在放光过程中产生的热能导出来，同时将所有热点的热量均匀化，从而提高整体的散热效率。

散热器件：大功率和中等功率的LED照明灯的散热器件主要由铝材构成，通常被称作“二次器件”。散热器件采用专门的铸造工艺，例如利用压铸、挤压、锻造以及表面涂覆等工艺制造，热量最终在空气对流的作用下被发散掉。此外，超大功率的LED灯还可以应用热管散热器技术来增强散热能力。

1.2 大功率LED灯的散热要求

具有较强的导热和均热性能：散热器件的总体热阻是由LED灯具所有的接触面逐层累计得到的，LED吸热面中的热传导阻抗是总体热阻中不可忽略的一部分。其与LED灯具之间的热阻抗越小，则越容易快速地吸收LED产生的热能，同时将这部分热能高效率地传导至翅片上。

总体上具有较小的热阻抗：为有效提升导热器件或散热器件的吸热能力，应将导热器件或散热器件尽可能地与LED模块紧密结合，甚至达到零空隙。但现实中导热器件或散热器件的吸热面与LED模块之间总存在很小的空隙。因此，应选择使用较小热阻抗、较强适应性的材料来填充空隙，这种材料就是我们常用的导热膏，其能有效减少接触热阻，从而减小整体热阻抗、提高散热效率。

热量发散迅速：加工时，将散热器件的吸热面与散热翅片加工成一个整体，从而将吸收到的热量迅速传送至散热翅片部分发散出去。此外，散热翅片的间隙应与空气流动方向相一致，以防止空气气流遇障碍形成漩涡造成热气滞留。

2 大功率LED灯散热的改进设计

2.1 优化散热片

目前，成品LED灯具大部分都是应用散热片散热。而散热片散热主要是依靠散热金属的表面与空气进行对流，进而散热。因此，散热片的形状、材料及散热面面积是决定散热片散热性能的最重要因素。散热片的主要尺寸包括散热翅片厚度、翅片间距、翅片高度以及散热底板厚度等。根据相关实验研究：①随着散热翅片间距的增大，芯片结温先减小后增大；②随着散热片基板厚度的增大，芯片结温先减小后趋于稳定；③随着散热翅片高度的增加，芯片结温先快速降低，随后缓慢降低并最终趋于稳定。因此，可根据实际实验测试数据选择最优的散热翅片间距、厚度及高度搭配。

2.2 加装热管或均温板

热管具有很好的导热性能，其外部是铜制表面，内部由吸液芯及冷凝液组成。经过液气两相的循环，能高效地将LED所产生的热量导出并发散出去。均温板的散热原理与热管极为相似，但是热管为一维单向传热而均温板是二维面传热，因此均温板较热管更容易分散热量，同时更能减小扩散热阻抗。

热管在LED散热的应用方式有多种，其中常见的形式包括：将LED灯芯片直接焊装在热管吸热端顶部，将热管加工成平板式、回路式等具有特定结构的形式之后进行安装。热管最突出的特点是其能将LED所产生的热量迅速传导至较远的位置，从而方便散热装置的设计，使散热器件在实际中的应用更灵活方便。此外，根据相关实验研究发现，用均温板材料制造的散热片比常规的散热片具有更好的散热效果。

3 优化界面材料

热量以物体为载体进行热传导时遇到的阻碍，被称为导热热阻；当热量在两物体之间传导时，两固体之间的缝隙阻碍热量传导的现象称为接触热阻。热阻抗参数反映的是阻止热量传导的能力，其值等于热流通道上的温度之差再除以耗散功率。在LED灯具制造过程中，常用导热膏来填充两接触固体之间的缝隙，从而降低接触热阻。但导热膏通常是由导热硅胶或银胶等界面材料制成的，而这些界面材料本身的导热性能并不理想，成为制约散热的瓶颈。因此，在设计散热器件时，应拿出相当的精力放在界面材料的选择上。

4 加装风扇

加装风扇是风冷强制型散热，其通过调整空气对流而影响热传导和热发散，加装散热风扇能够在很大程度上改善散热片的散热效果、提高散热效率。加装风扇常选择的方案为：在散热翅片的垂直端面上加装类型为intake的轴流风扇。研究结果表明，在加装了质量流量为0.01㎏/s的散热风扇之后，LED芯片的最高温度下降了9.77℃左右；而在加装了质量流量为0.02㎏/s的散热风扇之后，LED芯片的最高温度下降了16.02℃左右。可见，加装散热风扇能够显著改善LED的散热性能。但同时，加装散热风扇还存在如下几个问题：①散热风扇的寿命与LED的寿命匹配如何做到最佳，市面上散热风扇的寿命平均在几千个小时左右，但是LED的寿命平均在5万个小时以上；②加装散热风扇会增加LED灯的体积，使整体显得复杂且笨重。可见，在将散热风扇加装到LED上时，应充分考虑上述两个问题，在影响不大的情况下可考虑加装散热风扇来提高散热效率。

结语

发光二极管即LED是当前应用最普遍的新型冷光源之一，它本身具有高效节能、使用寿命长、对环境几乎不产生污染等优点，在各大领域得到了非常广泛的应用，并成为了21世纪发展前景最广阔的光源之一。但是对于功率较大的LED来说，其本身在发光的过程中会产生过多的热量，如果这部分热量无法及时发散，则会很大程度地损坏LED。為此，本文总结了优化散热片、加装热管或均温板、优化界面材料和加装散热风扇等方法来提高LED的散热效率。

参考文献

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