LED射灯散热外壳及散热设计与仿真效果分析

龙宜新

摘要：LED射灯具有低碳、节能、经久耐用等优势，正在逐步地被普及与发展。现阶段，LED射灯光效则相对有限，大量的电能都转化成热能，这样就影响了其照明功能的发挥，影响了照明效率。本文重点分析了LED射灯散热外壳类型以及散热设计以及最终的仿真实效。

关键词：LED射灯;散热外壳;散热设计;仿真效果

0  前言

LED射灯有着自身的结构部件，灯罩、面环、散热器等，以及其他的配件包括：灯头针脚、螺丝等，灯具的外壳一般选择具有防火阻燃功能的材质。灯具的外壳应该选择特定级别的散热设计，通常要达到V-2级别。

1  LED射灯散热外壳类型

1.1 塑料外壳加冲压铝

铝合金冲压件附于铝基板，整体牢固于外壳，小于3瓦的射灯，外壳应选择PC材质塑胶，相反，大于5W的射灯则应选择导热塑料充当其外壳，其导热率从1-20范围变化，然而，其导热率较高、成本也较大，一般的塑料导热率只有0.2-0.3，一般来说导热性能可以用导热系数来评估，其优势为：匀称散热，防止局部件在高温下发生形变，质量较轻、轻于铝材质40-50%，方便加工成型，不用再次加工。

1.2 冲压铝外壳

将铝合金材质作为外壳的冲压件，此类外壳未能达到理想的散热效果，然而，其外壳是良好的导体，却对电源的绝缘性有更高要求，电源则要深入形成绝缘处理，一般适合于小于3W的电源，高于5W的电源很容易出现高温问题，从而造成灯亮度不够。

1.3 压铸铝外壳

从外观上，这一外壳结构独具优点，而且其质地更优、铸件尺寸也能达到较高的精度，而且表层有良好的光洁度，强度和硬度都达到理想水平，大小也相对稳定，而且互换性更优，能够被压铸成铝薄壁复杂的铸造件。一般来说，壓铸铝磨具更耐久使用，可以持续用几百万次，而且能达到自动化的目标，然而，对于冲压金属件来说其投入较大，适合用在高级射灯内部。

1.4 挤出铝外壳

如果选择挤出工艺，散热外壳的结构与形态方面相对受限，一般为太阳花的形态，当挤出断开后，则可以对型材实施深加工，其里面所配置的电源必须实施绝缘优化处理，金属散热设备内部，挤出铝能达到理想的散热成效，而且成型方法也不会对里面的分子构造带来较严重的影响。通常来说，其导热效率达到压铸铝的两到三倍。

1.5 导热陶瓷外壳

在整个的绝缘材质中，导热陶瓷属于优良的材质，因为其具有优良的导热性能，其优势体现在：耐高温、抗腐蚀，而且相同条件下，陶瓷散热器能增加散热效率，达到金属的几十倍。然而，陶瓷的特点就是过于脆弱，使用中很可能被打破，局部可能受损，和塑料对比起来这方面不占优势。现阶段，通常用导热塑料来取代导热陶瓷。

1.6 塑包铝结构外壳

对铝合金进行深入加工、处理，而且要将其植入注塑模具内，实施注塑处理，塑料能稳妥地包住铝合金，内部的铝合金件能通过冲压、压铸等方式来成型。外围塑料可以选择导热性塑料，以此来确保整个射灯达到理想的散热功能，一般更适合于体积较小、瓦数较大的灯具，更适合于用在球形灯泡内，如果是GUI0射灯一般如果其功率小于6W，则不适合选择此构造。

2  LED射灯的散热设计

LED射灯散热设计的根本目标在于当使用温度达到一个顶点时，常规运行环境下，LED灯即便长时间点亮，其芯片的温度极值也能控制在节温以下，这一射灯的LED选择了高光效封装成3030的LED，型号：GW PSLMS1.EC-GRGT-5R8T-1，结温：125摄氏度，同时，对电源的重要元件、器件，例如：芯片也提出了特殊的规定和要求，需要其工作温度在100度以下，围绕上述规定来合理地设计射灯的散热零部件，参照设计规则来构造出一个散热器的大致模型，再参照现实所运用的各类材料来形成一个散热模型，具体可以借助通过EFD软件来对结果加以模拟，具体的设计参数如下：

第一，塑胶外壳+冲压铝外壳。可以选择电路板、导热硅胶、冲压铝、导热硅胶、塑胶外壳。散热器热阻为：如果为普通塑料，应为0.3W/mk，导热塑料：1-20W/mk，冲压铝的热阻：230W/mk。其优势：外观形状十分漂亮，能发挥散热功能，两类材料有效融合能增加一层导热通道，然而，其散热效果则一般。

第二，冲压铝外壳。主要选择电路板、导热硅胶、冲压铝进行散热，其中冲压铝的热阻为：230W/mk，其优势为：能更好的散热，不足在于：厚度较厚无法有效地储能，难以形成复杂的外形。

第三，压铸铝外壳。主要选择电路板、压铸铝作为散热通道，其热阻为：96W/mk，优点体现在：理想的导热性、而且辅助特定的造型设计，其不足在于：内部铝合金量太大，需要较多的投入，重量较重。

第四，挤出铝外壳。主要将电路板、导热硅胶等作为散热通道，其热阻为：160W/mk，其优势为：良好的导热性能，而且外形较为漂亮，不足之处：因为挤出工艺的需求，只可以形成单方面的构造，整体的设计性能则较为有限。

第五，导热陶瓷外壳。主要通过电路板、导热硅胶、导热陶瓷等来散热，其热阻为：29w/mk，能铸造出特定的造型，不足之处在于：其造型相对简单、然而，成本相对较高，可能碎裂，多采用和COB绑定基板。

第六，注塑包铝外壳。主要通过电路板、塑包铝外壳来散热，其优势体现在：外壳十分漂亮、精致，有着理想的导热性能，而且内部镶嵌铝层能参照需要来镶嵌不同形态的铝合金。这一模具有着很高的成本，适合用在大于7W的灯具。

通过以上不同外壳射灯散热加以对比，能够看到：数值模拟法可以用于研究LED灯是否达到理想的散热水平，以数值模拟的方式能最终明确散热器的最理想设计模式：肋厚度应达到1.0mm，最合理的肋片配设数量应达到12片，从而使得散热器的构造、功能等得以优化，同时，外部环境温度的不断浮动也将极大地影响LED灯芯片结温，实际在设计LED灯时，必须将环境的影响纳入考虑范围。

3  仿真效果分析

如果外部环境温度达到25度，对应的LED灯的管脚则达到一个运行温度，通常达到88度，然而，LED灯具所处环境的最高温度达到45摄氏度，在这种情况下LED管脚的运行温度达到108度，相对于之前的温度下降了十七摄氏度，这就意味着此灯的散热达到了一个理想的状态，可以维持LED的常规、安全运行，最后可以选择多路温度巡检设备来围绕实物展开检测，所测出的射灯的管脚温度只有九十度，铝基板的温度则达到88.24摄氏度，功率电感温度也发生了变化，变成了98.53度，通过测试所得出的数据能看出：不同射灯的重要的发热部件、元件等，温度都可以达到规定的标准和要求，这就意味着散热器达到了理想的结构设计，适合灯具的使用需求。

4  结语

通过以上研究能得出：在散热方面，小功率LED等正在逐渐走向成熟，此类射灯也在大规模地运用于不同的场地、场景与场合，然而，LED射灯无论是自身的发展还是推广应用依然有大量的问题出现，其中最为重要、棘手的问题在于：怎样能让LED射灯更好地散热，以及怎样达到LED射灯逐步走向模块化、互换性，并延长其使用周期，确保其能折射出高亮光，而且能被有效地操作控制，从而发挥LED灯应有的功能则十分关键。

参考文献：

[1] 张红.热管节能技术[M].化学工业出版社，2009.

[2] 杨林. LED照明的质量可靠性研究分析[M].电子工业出版社，2015.

[3] 房海明.LED照明技术与设计100问[M].化学工业出版社，2013.

[4] 辛文彤.ANSYS13.0热力学有限元分析从入门到精通[M].机械工业出版社，2011.

[5] 王桥立，夏志清，文静.LED结温热阻构成及其影响[J].现代显示，2008（6）：59-61.