环境温度及风速对LED照明产品散热的影响分析

陈 飞，李 虎，代高林，陈 亮

（深圳创硕光业科技有限公司，广东深圳 518000）

LED 在照明领域的使用越来越广泛，由于LED照明产品本身发热量较大，且属于温度敏感元件，温度升高会影响LED 照明产品的光效、光色（波长）、色温等关键参数指标以及工作可靠性，因此，散热设计是LED 照明产品开发的关键技术之一。

1 热仿真模型

文章采用的热物理环境模拟仿真的实验条件模型如图1所示。热环境实验仿真实验模型条件如下：环境温度25.0℃；热辐射背景温度25.0℃；LED 热源模型用优质紫铜[导热系数：398W/（m·K）]圆柱模块替代；LED 基座为铝材，外圆柱面也必须与散热器内圆柱面充分贴合；另外，图1（f）和（g）产品盖体材料全部设计为硬质塑料，导热系数均为0.3W/（m·K）。

图1 散热器模型

2 环境温度对户外大功率LED照明产品散热能力的影响

在热模拟仿真模型中改变材料发射率和散热器结构进行热模拟仿真实验，通过分析实验数据可知：

（1）当产品的材料发射率本身为0时，就不需要考虑热辐射对LED 照明产品散热产生的影响。随着室外环境温度持续地升高，室内外空气温度的分布性质都会相应发生变化，从而引起地表热对流，降低了室外传热系数。目前对较高功率下的白光LED 的光电转换效率（Wall-Plug-Efficiency WPE）的估算方法以及准确度，还没有一个较为良好且高效率的方法可以对其进行估算。目前仅有大约15%～25%的光输入功率会转化成为能源，而其余的则可能会被转换成光热能。由于LED 晶片的尺寸很薄，因此，会使高功率的LED 芯片的每个晶片在单位面积上产生的发热量（发热密度）变得较高，这也使得LED 芯片的每个晶片的内部交界面上的温度值（JunCtion Temperature）提升较大，较容易造成晶片的过热老化问题，使得LED 整体的亮度有得降低，其中以红光模组的发光亮度衰减得最为明显。

（2）照明产品外表面辐射换热量随着环境温度的升高而逐渐增大，使辐射的换热能力加强，辐射换热量占热源总热量的比例增加，如图2所示。

图2 辐射换热量占热源总热量的比例

随着环境温度的升高，辐射换热量会逐渐增加，这是因为辐射换热量和热源及冷源绝对温度的4次方的差值成正比。例如，一个物体表面积为A1(m2），表面温度为T1（K）时，表面的热发射率为ε1，放置在一个表面绝对温度为T2（K）的空间中，则该物体和这个空间表面之间的辐射换热量Q（K）可由式（1）计算而得。

式（1）中，ε1σA1没有变化，若T1和T2同时增加，那么Q必须增加。所以热平衡的结果就是辐射换热量Q增加，T1和T2的差值△T减小。随着环境温度的升高，△T减小得越明显。同时，由于辐射换热量的增强，导致了△T减小，因此光源产品表面对流传热量将会减少。

3 环境风速对LED照明产品散热的影响

散热器1的热仿真模型如图3所示，环境模型中的风向依次变化为水平向右、竖直向上和竖直向下，风速的变化为0～1.50 m/s 时。从图3 可以看出，风速对LED 照明产品的散热性能影响较大。因此，对LED 照明产品进行热测试时，环境风速最好控制在最大风速为0.1m/s 内，特别是在垂直方向，尽量减少环境风速的影响。

图3 不同的环境风向和风速对LED照明产品散热的影响

从图3中还可以看出，LED 照明产品的温度变化速度随着风速的增加而变得逐渐放缓。其根本原因是随着风速的增加，对流及辐射的复合换热的热阻逐渐降低，此时LED 照明产品的热阻主要是由LED 光源到照明产品的外表面之间的导热热阻决定的，因此，在这个时候再增大风速，对提高散热的效果已然不明显。反之，如果自然对流冷却的LED 照亮产品外表面对流与热辐射复合换热时的热阻较大，而LED 光源到照明产品的外表面之间的导热热阻较小时，此时，增加照明产品导热材料的导热性对LED 照明产品的散热效果的提升也不会很明显。

4 其他因素对散热影响

与传统电子产品密封不同，大多数的电子产品上都设置有散热通气口，所以大多数的电子产品可以直接通过与空气对流传热，达到散热的目的。但LED照明产品采用的密封技术，限制了自身的散热通力。在照明领域中有些散热部件，例如接头等，必须严格符合传统灯具的尺寸规格（如MR16）和重量。因此，散热模块结构的设计就会进一步受到限制。一些新技术也开始应用于LED 照明产品的设计中，如Par38，采用独特的导热铝散热材料与散热设计，确保了灯具的高散热效果，相较于传统的LED 照明产品，Par38可以节能高达60%。

5 结束语

本文采用热仿真的方法分析了环境温度及风速对LED 照明产品散热效果的影响。根据结果可知，一般情况下，对于自然对流冷却的LED 照明产品，其热测试可以在某一环境温度（如23.0℃ ）下进行，产品在其他环境温度（如 45.0℃，用于模拟产品实际使用 环境的温度）下各点的温度可以通过扣除测试时的环境温度与其他环境温度的差值来近似计算。但自然对流冷却的LED 照明产品的热测试最好在无对流风的环境中进行，或者在无对流风试验箱内进行，以减小环境风速对其散热的影响。由于任何结果都有产生的原因，所以分析原因是改善结果的根本途径。热量传递只有 3 种方式，理论上较为简单，但是3 种传热方式交叉在一起，分析起来又有困难。借助热仿真软件，将以不同方式传递的热量分开来进行分析，是电子产品热分析的一个重要方法，也是电子产品热仿真相对于热测试的一个很大优势。