LED灯具的热分析与散热设计

　　中国照明电器LED灯具的热分析与散热设计李鹏（天津施莱德照明器材公司，天津300457）对灯具结构进行热分析是设计灯具时必须完成的一项工作。依照LED灯具热分析公式，只有依靠减少散热部件热阻的方法达到散热效果。热阻为阻止热量传递的能力的综合参量，数值越低表示芯片中的热量传导到支架或铝基板上越快。应通过减小热阻以加强传热，这有利于降低LED的温度，从而延长LED灯具的寿命。

　　IlishingHo！虑到灯灯具使用环环境温度5，外LED的主要失效形式之一是热失效。随着温度的升高，不但LED的失效率大大增加而且LED光衰加剧、寿命缩短，因此热设计是LED灯具结构设计中不可忽略的一个环节。大功率LED灯具的外壳防护等级一般都在IP65以上，热量不能通过空气对流的方式发散到灯具外部。所以利用良好的导热途径将LED的热量传到灯具外壳；选择合适的导热材料等灯具散热方面的设计直接决定了产品的性能。

　　1LED灯具的热阻计算方法对灯具结构进行热分析是设计灯具时必须完成的一项工作。由于灯具是在开启后逐渐升温后达到热稳定状态，cM是说热稳定状态时各点的高，所以散热计算一般只考虑稳态的情况，瞬态的热分布情况并不重要。因此应在灯具处于热稳定状态时计算灯具散热的情况。

　　*LED理论结点温度，单位：*C；Ta*使用环境温度，单位：％Rthb-a*灯具散热部件总热阻，单位：tW；PtotalLED总功率，单位：W；Pu*单颗LED功率，单位：W；-单颗LED的热阻，单位：°CW；中国照明电器部条件限制一般是不可控的，另外为满足照明效果用，因此LED灯具的热分析主要考虑热量在灯具内LED灯具总功率Ptrtal、单颗LED功率在设计前应部以热传导方式传递时的散热效果。

　　已经确定不可更改，后单颗LED的热阻目前一般热阻是指热量传递通道上两个参点之间的温度为8°CW.依照LED灯具热分析公式，只有依靠减小差与两点间热量传输速率的比值，单位为°CW.热灯具散热部件热阻的方法达到散热效果。

　　下面以一个有16颗LED（W、CREE品牌XR-E系列）的灯具为实例进行计算。

　　由以上计算可以得出：散热部件热阻Rthb-a< 5.182CW时灯具才可以在45C的外部环境中使用。

　　2LED灯具结构的热分析热的传递方式有热传导、热辐射、热对流。对大功率LED照明灯具而言热传导方式起主要的作阻为阻止热量传递的能力的综合参量，应通过减小热阻以加强传热。当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的热阻称为导热热阻；热量流过两个相接触的固体的交界面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻称为接触热阻。因此我们考虑的热阻包括导热热阻和接触热阻。产生接触热阻的主要原因是，任何外表上看来接触良好的两物体直接接触的实际面积只是交界面的一部分，其余部分都是缝隙。热量依靠缝隙内气体的热传导和热辐射进行传递，而气体的传热能力远不及一般的固体材料。接触热阻使热流流过交界面时，沿热流方向温度发生突然下降，这是灯具设计中需要尽量避免的现象。

　　下面以一个实例来说明LED灯具的热阻计算方法。灯具的基本结构如所示，LED处于密闭的铝合金外壳内，热量主要通过支撑板、铝合金外壳，然后通过外部空气对流散到空气中，其他部分的导热如铝基板与外壳之间的对流导热、灯具透明玻璃的导热等，由于散热作用不明显，暂时可以忽略不计。因此，灯具散热总热阻R总表示为：R2―LED支撑板的导热热阻；R3―LED支撑板与灯具金属外壳之间的接R4*灯具金属外壳的导热热阻；R5*灯具金属外壳与外部环境对流换热的热阻。

　　支撑板和金属外壳两种零部件的导热热阻Rth=1触热阻：ChhaAcadcJo咖alElectronicPublishingtalk其中在为热传导距离/为垂直于1热流方向的截面积，k为材料的热导率。

　　3减小灯具总热阻与改善散热效果的方法3.1减小LED支撑板与金属外壳的径向长度L增加LED支撑板与金属外壳热流方向的截面积，选用热导率好的材料可以降低支撑板与金属外壳两种零部件的导热热阻。

　　3.2增加LED支撑板与铝基板之间、LED支撑板与灯具金属外壳之间接触面的压力，使物体交界面上的突出部分变形从而减小缝隙、增大接触面；在两物体交界面处涂上有较高导热能力的胶状物体一导热脂等方法可以降低接触热阻。

　　3.3按照配光要求设计灯具外壳曲线，将铝基板直接固定在灯具外壳内侧可以省去LED支撑板造成的热阻。

　　3.4灯体散热筋的排列与布置应考虑间距、方向、表面处理等因素以提高散热效果。所以，一般建议将这款灯具的安装方向与道路方向平行，以便于散热片间空气的流动，而不是将灯具的散热片垂直于道路方向。

　　35灯具金属外壳如涂有散热涂层，将有利于外壳将热量以热辐射的方式传导到外界。

　　3.6重视传热的均衡性，尽量保证灯体散热部分的温度分布均匀，充分发挥全部散热部件的作用。

　　4结束语LED灯具散热设计的重点在于：短的热路径；必须以快速的方法将热量导出然后散出。通过灯具散热的分析和计算，可以指导设计散热方式和散热器的选择保证了LED灯具工作在安全的温度范围内，减少了质量问题，提高了可靠性。