大功率LED路燈的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化

摘要：為了達到對大功率LED路燈產(chǎn)品既降低制造成本(散熱器質(zhì)量)又加快散熱的目的，優(yōu)化了LED路燈散熱器結(jié)構(gòu)。在對原有結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模及熱分析的基礎(chǔ)上，采用正交試驗分析了散熱器中平板厚度、翅片厚度、翅片間距、翅片高度4因素對產(chǎn)品質(zhì)量與散熱效果的影響，并研究了同一結(jié)構(gòu)下熱傳導(dǎo)與熱對流兩種方式對散熱的影響，最終得出了一個較為理想的優(yōu)化結(jié)果。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，改進后的散熱器最高溫度較原始模型下降了11℃以上，同時，質(zhì)量降低了約15．3％。
關(guān)鍵詞：大功率LED路燈；熱分析；散熱結(jié)構(gòu)；ANSYS

    目前，LED照明產(chǎn)品正在逐漸取代傳統(tǒng)的照明燈具成為主流照明產(chǎn)品。對于高功率的LED路燈而言，光效是燈具設(shè)計師關(guān)注的重點，然而，LED模組的低結(jié)溫是實現(xiàn)長壽命和高光效的至關(guān)因素?，F(xiàn)實中，有很多關(guān)于路燈早期失效的報道，稱之為死燈，這對公共照明來說是一個極大的制約。因此，如何降低大功率LED產(chǎn)品的結(jié)溫是研究熱點問題之一。
    眾所周知，LED光電轉(zhuǎn)換效率制約在15％～20％，其余的電能幾乎全部轉(zhuǎn)換成熱能，因此在LED產(chǎn)品工作時，將會產(chǎn)生大量的熱量。當多個LED密集排列組成路燈時，熱量的聚集效應(yīng)更為嚴重。若不將此熱量盡快散出，隨之而來的熱效應(yīng)將非常明顯。這將會引起芯片內(nèi)部熱量聚集，導(dǎo)致發(fā)光波長漂移、出光效率下降、熒光粉加速老化以及使用壽命縮短等一系列問題。
    本文利用有限元分析軟件ANSYS對LED路燈進行了熱分析，對其散熱結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計與優(yōu)化，達到了降低制造成本又加快散熱的效果。

1 散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模
    通常條件下，熱量的傳遞有3種方式：傳導(dǎo)、對流和輻射。因輻射散熱量非常小，所以本文主要討論傳導(dǎo)和對流2種傳熱方式。
    在LED路燈中，熱傳導(dǎo)主要表現(xiàn)在封裝結(jié)構(gòu)與散熱器中，而熱對流主要靠散熱器來體現(xiàn)。因此，在大功率LED路燈中，外部散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計非常關(guān)鍵，直接影響整個系統(tǒng)的散熱能力。
    在制作LED路燈時，通常將封裝好的LED光源焊接在MCPCB上，而后MCPCB與外部的散熱器通過采用導(dǎo)熱粘合劑以及機械緊固件法等固定在散熱器上，如圖1所示。熱量的主要傳輸通道為：PN結(jié)-Cu柱-MCPCB-散熱器-空氣(環(huán)境)。

    本文主要考慮散熱器對散熱的影響，采用的散熱器結(jié)構(gòu)為一塊帶有很多散熱翅片的熱的良導(dǎo)體，通過具有一定厚度的“導(dǎo)熱板”固定住裝載有LED光源的MCPCB，實物如圖2所示，主要參數(shù)見表1。

    首先，根據(jù)燈具、封裝光源等實際尺寸，在有限元模擬分析軟件ANSYS中建立模型如下。
    在此模型中，考慮到燈具傳熱的主要途徑，忽略了封裝光源的引腳對散熱的影響。同時，由于封裝用的環(huán)氧樹脂熱導(dǎo)率只有0.2W／mK，在這里作絕熱處理。另外，假設(shè)各接觸面均為理想接觸界面，即不考慮界面熱阻。在模擬過程中，邊界條件設(shè)置如下：芯片功率為1 W，光電轉(zhuǎn)換效率設(shè)置為15％，與空氣對流系數(shù)設(shè)為5，散熱體黑度為0．5，環(huán)境溫度為25℃。

2 散熱器參數(shù)優(yōu)化
    現(xiàn)今，LED路燈散熱設(shè)計中存在以下問題：散熱翅片面積隨意設(shè)定；散熱翅片布置方式不合理；燈具散熱翅片的布置沒有考慮到燈具的使用方式，影響到翅片效果的發(fā)揮；強調(diào)熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)、忽視對流散熱環(huán)節(jié)；忽視傳熱的均衡性。這種往往導(dǎo)致了散熱器質(zhì)量龐大，其中一部分翅片沒有發(fā)揮作用或作用很有限。
2．1 參數(shù)優(yōu)化實驗一
    本文利用正交試驗對散熱片結(jié)構(gòu)中的底板厚度、翅片厚度、翅片間距、翅片高度4個因素進行了優(yōu)化設(shè)計。把以上影響散熱片散熱性能的4個參數(shù)作為因素，每個因素取4個水平，以模型質(zhì)量和最高溫度為指標，采用正交表L16(44)模擬實驗，結(jié)果如表2所示。

    根據(jù)正交試驗表中的數(shù)據(jù)，將以上四因素對試驗指標的極差進行統(tǒng)計，結(jié)果見表3～表6。表中數(shù)據(jù)顯示對散熱片質(zhì)量的影響由大到小的因素依次為：翅片厚度、翅片間距、翅片高度、底板厚度；對模型最高點溫度的影響由大到小的因素依次為：翅片間距、翅片高度、翅片厚度、底板厚度。

    從試驗結(jié)果分析可得出，在設(shè)計大功率LED翅片式散熱結(jié)構(gòu)時，為了得到更好的散熱效果，應(yīng)使翅片厚度和翅片間距盡可能小，但實際上這些值又不能無限小。首先，由于自然對流達到熱平衡的時間較長，所以自然對流散熱器的基板及齒厚應(yīng)足夠，以抗擊瞬時熱負荷的沖擊。其次，翅片間距減小，翅片數(shù)量增加，會導(dǎo)致靜壓下降。若翅片數(shù)量過多過密，則會降低空氣流速，相反會使散熱片的散熱效率降低。
    另外，在實際中，因美觀與一些特定的環(huán)境要求，會對燈具整體高度有所限制。這樣就限定了散熱器的高度，而散熱器的高度是底板與翅片高度之和。若增加底板厚度則散熱片的高度就要降低。在整個散熱結(jié)構(gòu)中，底板的主要功能是將燈具內(nèi)部光源產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出，再有外部的翅片散發(fā)掉。因此，選取合適的底板厚度和翅片高度也是加快散熱的有效途徑。
2．2 參數(shù)優(yōu)化實驗二
    在現(xiàn)有LED路燈散熱結(jié)構(gòu)中，多采用導(dǎo)熱板方式，即一定厚度的底板作為均溫板，先把熱源均溫掉；這部分主要起到熱傳導(dǎo)的作用，將LED產(chǎn)生的熱量從燈具內(nèi)部導(dǎo)出。再借由外部翅片將熱量散發(fā)出去。然而外部翅片散熱機理，即在何種形態(tài)以及比例下散熱效果會最佳，沒有發(fā)現(xiàn)對此類問題的進一步研究與優(yōu)化。
    為了說明傳導(dǎo)與對流對散熱的影響，本文利用ANSYS對單個LED的散熱過程進行了分析。整個試驗過程中，總的長度是不變的。整體散熱過程是熱傳導(dǎo)與對流相互作用的結(jié)果，為了說明各自的影響，姑且將翅片劃分為傳導(dǎo)部分與對流部分來分析。試驗中，將假設(shè)的非傳導(dǎo)部分細化，以增加其對流面積。利用ANSYS對單個LED下總散熱柱的長度為50 mm的模型進行了熱分析，結(jié)果見表7。

    由以上結(jié)果可知，并不是“傳導(dǎo)長度”越長，溫度就越低；因為“傳導(dǎo)長度”越長，相應(yīng)的對流并不是最好的，在整個散熱過程中，這兩者相互制約，只有在兩者選取都非常合理的時候，才能得到最佳的效果。正如此試驗中選取的“傳導(dǎo)長度”為40mm時，得到了最低溫度56．504℃，如圖4所示。

2．3 結(jié)果驗證
    結(jié)合以上試驗分析結(jié)果，在充分考慮LED路燈產(chǎn)品的外觀、散熱片質(zhì)量、強調(diào)熱傳導(dǎo)與對流散熱環(huán)節(jié)的平衡等因素后，對LED路燈產(chǎn)品的散熱片結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。由表8可知，參數(shù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)首先減小了散熱器的質(zhì)量，其質(zhì)量由10.41kg下降為8．82 kg，比原有的減小了15．3％。圖5為散熱器改良前的結(jié)構(gòu)圖。

    利用ANSYS分析軟件和紅外熱像儀對兩種產(chǎn)品進行了熱分析和實測，其結(jié)果分別如下圖6、圖7所示。
    由上圖可知，利用ANSYS分析的結(jié)果，溫度由63．325℃降為53．325℃，降幅為10℃；而實測結(jié)果的溫度則由66．7℃下降為54．8℃。降幅為11．9℃。模擬結(jié)果中溫度分布與實測溫度分布基本相符，溫度范圍稍小于實測溫度范圍，這主要是由于模擬過程中忽略了界面熱阻、芯片與管殼粘接材料的熱阻以及MCPCB與散熱器之間粘接材料的熱阻。

3 結(jié)論
    對于由多個大功率LED密集排列組成的路燈，其更多的熱量需要從芯片結(jié)區(qū)有效地消散掉，因此大功率LED路燈的熱管理問題對于LED散熱技術(shù)是一個挑戰(zhàn)。
    本文首先根據(jù)現(xiàn)有LED路燈產(chǎn)品建立起了基于熱傳導(dǎo)／熱對流的有限元模型，利用ANSYS對其散熱結(jié)構(gòu)進行了熱分析：另外，通過兩種優(yōu)化試驗，分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對質(zhì)量與熱分布的影響，同時著重研究了熱傳導(dǎo)與熱對流兩種散熱方式對散熱的影響，最終得出了一個較為理想的優(yōu)化結(jié)果。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)經(jīng)軟件模擬與實測結(jié)果顯示，改進后的散熱器質(zhì)量比原有散熱器降低了約15．3％；同時，溫度較原始模型有較大的下降，降幅達到了11℃以上；這為以后散熱器的設(shè)計提供了一個指導(dǎo)方向。