LED大功率灯具散热技术的创新设计

1、LED大功率灯具散热技术的创新设计摘 要: LED作为新一代绿色光源，环保型固体照明光源，已经成为人们关注的焦点，正在被广泛的应用于照明行业。它具有耗电量少、光色纯、全固态、质量轻、体积小、环保等一系列的优点。LED 发光时会有部分能量转化为热量，因此会使LED芯片温度升高。而温度对LED芯片的工作性能影响极大，高温会导致芯片射出的光子减少，色温质量下降，加快芯片老化，缩短器件寿命等严重的后果。因此为保证LED正常工作，必须将其散发出来的热量及时的散发出去。目前大功率LED 芯片应用的越来越多，据资料显示大功率LED 只能将约10%-15%的输入功率转化为光能，而将其余85%-90%转化为热能

2、 ，因此散热问题更为严峻。本文通过了解LED结温原因，并制定分析对策，利用热量传递的基本原理对大功率热源LED散热器进行技术创新，采用先进鳍片散热技术、热管散热技术及风冷鳍片散热技术等有效地将LED所产生的热量转移，从而保障LED等光电器件的正常运作。关键字：LED散热；热特性；鳍片散热；热管散热；风冷鳍片散热。一、 LED发热的原理及散热的必要性LED是一种新型绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小、控制灵活、响应速度快等优点。但是受到当前LED芯片技术限制，目前LED发光效率低,大部分的能量全部转化成了热能。热量的集聚使芯片温度上升会引起LED光通量下降，变差，加速芯片老化使其寿命减短等

3、一系列问题。LED芯片的散热问题已经成为大功率LED技术在照明工程应用的瓶颈。LED温度与寿命关系图1LED温度与发光效率关系图2二、 LED结温产生的原因及对策1. 产生LED结温的原因：A. LED芯片内部结构产生的内电阻相互垒加，构成LED元件的串联电阻，当电流流过时会产生焦耳热3；B. LED芯片内部PN结4的电子与空穴对合并时，一部分产生光，一部份以发热形式把能源消耗掉，最终都以热的形式表现出来；C. LED芯片内部PN结产生的光不能全部透射出来，一部分由于折射和全反射的存在，光转变成热的形式表现出来；D. LED芯片内部材料的热阻存在，使LED产生的热量不能及时导出，使结温上升。2

4、. 降低LED结温的途径有哪些？A. 减少LED本身的热阻；B. 良好的二次散热机构；C. 减少LED与二次散热机构安装介面之间的热阻；D. 控制额定输入功率;E. 降低环境温度LED的输入功率是元件热效应的唯一来源，能量的一部分变成了辐射光能，其余部分最终均变成了热，从而抬升了元件的温度。显然，减小LED温升效应的主要方法，一是设法提高元件的电光转换效率（又称外量子效率），使尽可能多的输入功率转变成光能，另一个重要的途径是设法提高元件的热散失能力，使结温产生的热，通过各种途径散发到周围环境中去。三、 热散发的基本形式1. 热传递的基本原理热传递，是热从温度高的物体传到温度低的物体，或者从物体

5、的高温部分传到低温部分的过程。热传递是自然界普遍存在的一种自然现象。只要物体之间或同一物体的不同部分之间存在温度差，就会有热传递现象发生，并且将一直继续到温度相同的时候为止。发生热传递的唯一条件是存在温度差，与物体的状态，物体间是否接触都无关。热传递的结果是温差消失，即发生热传递的物体间或物体的不同部分达到相同的温度。热传递的三种方式，即“热传导”、“热对流”和“热辐射”。热传导：它具有依靠物体内部的温度差或两个不同物体直接接触，在不产生相对运动，仅靠物体内部微粒的热运动传递了热量；热传导示意图热对流：流体中温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递的过程；A. 自然对流：靠物体的密度

6、差，引起密度变化的最大因素是温度；B. 受迫对流：受到机械作用或压力差而引起的相对运动；热对流示意图热辐射：物体通过电磁波传递能量的过程称为辐射，由于热的原因，物体的内能转化为电磁波的能量而进行的辐射过程。热辐射示意图2. 影响热传导的因素A. 散热材料的热传导率B. 散热结构造成的热阻C. 热传导材料的形状和尺寸3. 影响热对流的因素A. 气体的流动及其速度B. 液体的比热容及流动速度和体积4. 影响热辐射的因素A. 周围环境与介质的热阻性、热辐射本身材料的特性四、 影响散热的主要因素1. 导热材料的导热率和热阻。2. 不同材料接触面的热阻和介质材料的热阻。3. 散热器材料的材质及散热面积。

7、4. 散热器结构的形式。5. 散热器与空气形成热交换的速率。6. 环境温度和风速的影响。五、 散热原理分析与技术创新傅立叶定律5：单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即Q单位时间传导的热量，简称传热速率，W；A导热面积，即垂直于热流方向的表面积，m2； 比例系数，称为物质的导热系数，W/(m2·K)(或W/(m2·)。式中的负号是指热流方向和温度梯度方向相反，即热量从高温向低温传递。傅立叶定律是热传导的基本定律。导热系数在数值上等于单位导热面积、单位温度梯度、在单位时间内传导的热量，故导热系数是表征物质导热能力的一个参数，为物质的物理性质之一。 物

8、质的导热系数是一物性参数，其值依物质的组成、结构、密度、温度和压力等不同而异。导热系数值由实验测定。当物质一定时，通常不考虑压力对其影响而考虑温度因素。工程计算时，遇到温度变化的情况，可取平均温度下的导热系数值进行计算。 一般来说，固体的导热系数大于液体的导热系数，而气体的导热系数最小。导热系数大的材料可用于制造换热设备，如金属；导热系数小的材料可用于保温或隔热设备，如石棉。玻璃棉等。常见金属导热系数表固体温度, 导热系数W/(m2·)铝300230镉1894铜100377熟铁1861铸铁5348铅10033银1004121. 鳍片式散热结构散热鳍片担负着将发热物体产生的热量散发到周

9、围空气中的使命。散热片通过和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热片，散热片通常是一块带有很多叶片的热的良导体。傅立叶定律证明散热片性能主要和材料的导热系数、总散热面积及形状设计有关。散热鳍片形状可设计成多种阵列，如条形阵列、圆柱针状阵列等。散热鳍片应用于LED模块的散热上，主要是依靠改变散热鳍片的结构设计，使鳍片在最小面积之下自然对流的热传改善效果。运用鳍片式散热结构的LED灯具爆炸图 运用鳍片式散热结构的LED灯具剖面图 通过剖面图我们可以看到鳍片式结构散热器具有足够大的换热面积。且在材料选择上一般选择导热性优良的高纯铝。各种造型的鳍片式散热结构在LED灯具上运用案例2. 热管6鳍片铆接

10、散热技术热管是一种优良的导热元件，一开始主要应用于航空领域，具有重量轻、结构简单、传热量大、速度快、不耗电及寿命长等诸多特点。热管一端为蒸发端，另一端为冷凝端。当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另一端，重新凝结成液体，并释放出热量。液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发端，如此循环不止。热量由热管的一端传到另一端，这种循环是快速进行的，热量可以源源不断地传导开来。热管工作原理示意图热管的导热能力超过任何已知金属。需要注意的是：1. 热管只是增加热传导速率，但不具备散热能力；2.热管+散热片+足够的散热面积+足够的与空气对流的环境，才能解决LED散热问题。 运用热

11、管铆接鳍片技术设计的支持500W 散热的LED投光灯运用热管铆接鳍片设计的LED路灯案例3. 风冷鳍片散热技术在介绍风冷技术前，我们先了解对流传热系数的概念。对流传热系数也称对流换热系数。对流换热系数的基本计算公式由牛顿于1701年提出，又称牛顿冷却定律。牛顿指出，流体与固体壁面之间对流传热的热流与它们的温度差成正比，即：q = h*(tw-t)Q = h*A*(tw-t)式中：q为单位面积的固体表面与流体之间在单位时间内交换的热量，称作热流密度，单位W/m2；tw、t分别为固体表面和流体的温度，单位K；A为壁面面积，单位m2；Q为面积A上的传热热量，单位W；h称为表面对流传热系数，单位W/(

12、m2.K)。对流换热系数的大致量级：空气自然对流 5 25气体强制对流 20 100风冷强制散热原理是带有鳍片的散热器的散热如果仅仅依靠空气的自然对流，散热的效果有限。采用气体强制对流方式在一定速度内会大大提高LED产品的散热能力，有助于提高散热效果。由于现在的集成芯片和电脑的CPU很相似，且目前风扇马达技术发展成熟，优质风扇寿命一般都在60000万小时以上,且防灰尘,极静音。所以，把风扇加到散热器上就应运而生了。运用风冷鳍片散热技术设计支持60W散热的LED轨道灯运用风冷鳍片散热技术设计支持60W散热的LED玉米灯总结：为满足大功率电子设备以及LED等光电器件高集成度、高热流密度的要求，必须

13、设计相应的散热方案，将LED等光电器件所散发的热量即时转移。而针对不同的热流密度及结构需求，采用先进鳍片散热技术、热管散热技术及风冷鳍片散热技术等有效地将LED所产生的热量转移，从而保障LED等光电器件的正常运作。注释：1. Cree公司发布的光衰和结温的关系图2. Cree公司的XLamp7090XR-E的发光量和结温的关系如图2所示3. 焦耳热（Joule heat）1841年，英国物理学家焦耳发现载流导体中产生的热量Q，这种热量叫做焦耳热，单位为焦耳（J）。4. PN结采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成

14、空间电荷区称为PN结（英语：PN junction）。PN结具有单向导电性，是电子技术中许多元件，例如半导体二极管、双极性晶体管的物质基础5. 傅立叶定律是传热学中的一个基本定律，由法国著名科学家傅里叶于1822年提出。6. 热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。参考文献：1 王静,吴福根. 改善大功率LED散热的关键问题J. 电子设计工程, 2009,(04) :123-125.2 游志. 大功率LED散热鳍片扩撒热阻研究J. 电子工业专用设备, 2010,(09):37-40.3 牛顿冷却定律在物质比热容测定实验中的应用-安庆师范