大功率LED灯散热器结构设计

潘裕+向文江

摘 要：针对大功率LED灯工作时散热性差、灯具光功率减小、灯芯片易老化等问题，对大功率LED灯的散热器结构进行研究。详细介绍了LED灯散热技术、灯具的热分析及散热片的优化设计，并就LED灯散热问题在ANSYS软件中搭建模型进行散热器结构参数设计与热分析。仿真结果表明，通过热分析实现对LED灯散热结构参数设计，理论上在大功率LED灯中安装优化设计后的散热片可以很好的解决灯具工作时的散热问题。

关键词：大功率LED灯；热分析；ANSYS软件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.005

0 引言

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）属于21世纪具有好的发展前景的新型冷光源[1]。LED灯的发光原理理就是靠是靠发光二极管内部的PN结里的电子在能带间跃迁进而产生光能，但芯片会出现发热的现象，尤其是大功率型LED。若将多个LED串并联组装成一个模组，其散发出的热量会大大增加。目前，LED整体工作效能不是很好，只有15%-20%的电能量成功转化为光能，而剩余的80%-85%的电能量则通过其它形式转化为热能，致使芯片功率密度变得很大。在行业内LED器件的散热性整体而言较差，首先，因为发白光的LED灯其发光的光谱中并不包含红外部分，即其工作时产生的热量不能依靠红外辐射进行释放；其次，LED灯具本身的扩散热阻与解除热阻很大，工作时产生热量较多。在LED灯工作时，若散热性不好将会产生十分严重的后果[2]，如缩减LED灯的光能量输出，减少器件的使用寿命，会造成LED发射光的主波长产生偏移等。

近年来，如何使LED灯工作时产生的热能以最快的方式散发出去这一关键问题被国内外学术界关注，进而相对应地进行各种研究。由于LED灯具多采用经验化设计进行散热，散热装置过于传统且专业性不高，导致当前LED灯具的散热问题仍未得到解决。因而，通过对大功率LED灯具的热分析与热设计后进行散热器的结构设计具有及其重要的现实意义。

论文详细介绍了LED灯的散热技术并建立相应散热器模型，然后选取了一款大功率的LED灯作为论文的研究模型，利用ANSYS有限元分析软件[3]对该款LED灯模型进行热分析，得到灯具各点的温度分布与芯片工作时产生的最高温度，在上述测量数据的基础上对该灯的散热结构进行优化设计，最终得到十分满意的散热效果。

1 LED灯散热技术及模型建立

1.1 LED灯散热技术

对大功率LED灯进行散热的主要技术有散热片、热管、均温板、辐射涂覆层、导热膏、导热垫片等[4-6]。其中，散热片是选用扩大表面积的方式将热对流逐渐散发到环境里，干扰散热片其散热性能的相关因素主要有散热片的形状、翅片的相对数量、各间距、设计的尺寸大小、安装的倾斜角度、制作材料以及生产加工工艺等。论文里所选用的灯具模型在工作时就选用散热片进行热量驱散。热管则是利用冷凝液对应的循环变化，将LED灯工作时产生的高热量疏导出并散发去。通常情况下，散热片会与热管的冷端结合使用，用来实现更好热量驱散效果。均温板与热管的制作及使用原理相似，只是热管属于单向的一维传热形式，而均温板采用面传热，整体设计为二维性，令散热器表面接受温度均匀。辐射涂覆层是用于散热器的外表面进行涂覆进行散热的涂料，目的是为了提高整体辐射率，使产生的热能有效的驱散辐射出去。而导热膏与导热垫片则是通过减小接触的热阻进行散热。

论文采用翅片作为大功率LED灯散热器结构设计的主要器件，它是一种十分有效的增强换热表面的设计方法。它可以令产生的热流量沿着肋高度的对应方向进行传导，并同时向周边环境进行以对流或者对流叠加辐射的方法进行热量驱散。其散热的表面积越大，驱散热量效果越佳，但并不构成简单的比例关系运算。

1.2 LED灯散热器模型建立

论文初步设计采用平直翅片散热器如图1所示。它整个结构的参数主要有翅片厚度、高度、长度及基板长度、宽度和厚度，整个散热片的结构利用ANSYS仿真软件进行参数分析，进而实现散热器的结构总体设计。

将与空气进行接触的散热外表面统一设定为自然对流，并规定对应的对流系数设为7. 5W / （ m2· K ），工作环境温度设定为40℃，便可保证通常情况下大功率LED灯在温度在低于75℃ 安全工作。由于灯罩是处于密封状态的，模型中的其他表面便定义为绝热体。选用ZL104铝合金作为大功率LED灯散热器的主要设计材料，它的导热率达到147W /m ，其密度可达2 650 kg /m3，处于常规压力且表面是粗糙度高的情况下，选取两者之间的接触热阻为4. 55 ×10-4m2· K /W 。综上述分析，满足设计要求。

2 大功率 LED燈的热分析

论文采用一款大功率LED灯为实验模型进行研究，运用ANSYS仿真软件对该套灯具的产生的热量进行热仿真分析。

2.1 灯具热网络模型

论文根据灯具结构，特选用芯片—银胶—铜热沉—导热硅胶—线路板—导热硅胶—散热片—环境作为主要散热途径，即LED灯产生的热量通过热沉、导热硅胶、线路板、导热硅胶传导到散热片上，再由散热片经对流方式驱散热量到空气中。依据上述分析的主要散热途径进行模型简化设计：先将LED灯珠通过透镜简化成长方体进而减少计算量；再将发热芯片和热沉之间的银胶简化成0.1 mm左右的薄板；最后将灯珠与散热片间的传导热硅胶进行简化成0.3 mm的薄板。简化后的硬件结构见图2，其灯热总体网络图见图3。

2.2 LED灯具热分析

根据灯具的实际使用场合和具体工作情况进行热分析的边界条件确定如下：

（1）每个LED灯功率为15 W，其发光的工作效率为20%，所以每个LED灯产生热量的功率达到12W，即将每个source 的total heat 定义为12 W。endprint

（2）该灯具为隧道中的道路照明灯，最高温度低于100℃，不必考虑太阳能的辐射。

（3）实际使用过程中，该灯具安装在外界空气流通的环境中，处于自然对流的情况，所以定义安装箱体的6个面均属于开环，并设定工作环境温度为25 ℃。

本研究参考了实验结果及相关制作材料手册，最终确定各项材料的特性如表1 所示。

最后，对灯具进行网格划分并进行稳态计算后得到灯具的整体温度分布结果如图4所示。在图4中，可清晰的看出LED灯灯芯处温度最高温度高达76.23 ℃，要综合考虑环境因素带来的误差，该点的温度极有可能超过80 ℃，可见，该LED灯具当前的散热效果比较差，有必要进行散熱器的优化设计。经过热分析得到该灯具温度高的主要原因是：线路板各层间厚度大且热量传导性差，还有就是散热层过多，导致导热瓶颈，LED灯灯芯产生的热量不能及时的导散出去。

3 散热片优化设计

当前大功率LED灯均采用散热片作为散热器，散热片的主要机理是利用大散热面积实现对流散热。对于散热片本身结构来说，它的形状、加工的工艺、设计尺寸及制作材料可决定其散热的整体性能。论文主要对散热片的设计尺寸进行优化设计。其主要尺寸包含翅片的厚度A、翅片的间距B、翅片的高度H 及散热片底板的厚度C，如图5所示。本例中设定A=2 mm，B=6 mm，H=40 mm，C=4 mm进行分析。

论文运用ANSYS仿真软件采用参数化设计实现对隧道照明灯中散热片的尺寸优化，具体优化流程如下：

（1）首先当H=40，C=4时，分别取A为1.5，2，2.5，3，B为4.5，5，5.5，6，对A、B相互组合便可到16组值，通过仿真计算可得16种情况下的结温，并将同一A值下的结温与B值的关系绘制成曲线，如图6所示。

从图6可以看到，对于相同的A值，4条曲线变化趋势相似，基本随着翅片间的间距增大而结温先降低后升的趋势，此外，从图中还看出，当A=2，B=6时，结温达到最低。

（2）当A=2，B=6，H=40的情况下，取C为3，4，5，6，7，8，9，得到C值与结温的关系，绘制曲线图如图7所示。从图7中曲线图可以看出，随着基板厚度上升，结温先速降，随之慢慢变得平缓，甚至有略微的升高趋势，且在C为6时，达到结温最小值。

（3）当A=2，B=6，C=6的情况下，分别取H值为30，40，50，60，70，80，90，得到H值与结温的变化关系，绘制成曲线如图8所示。从图8中可看出，随着翅片逐渐变高，结温先急速下降，随后缓缓变化，由此可得出，合理提升翅片高度可有效降低结温。另外，当H=60时，翅片高度和结温的选值达到最佳。则当A=2、B=6、C=6、H=60时散热片的散热效果达到最佳，该时刻结温为70.97 ℃，比起优化前降低了大约5.35 ℃。由此可得，进行散热片的优化设计效果很明显。

4 结论

论文针对一款大功率LED灯进行了热分析与散热片的优化设计，并应用ANSYS仿真软件对改进前后LED灯具进行温度仿真分析。仿真结果表明，通过热分析可实现对LED灯散热结构参数设计，从理论上在大功率LED灯中安装优化设计后的散热片可以很好的解决灯具工作时的散热问题。

参考文献：

[1]郑爱华.浅谈LED发光原理[J].科技论坛，2010（11）.

[2]苏达，王德苗.大功率LED散热封装技术研的新进展[J].电力电子技术，2007，10（41）：69-71.

[3]宋娥，李世国基于ANSYS的电热产品热场分析方法与应用[J].机械设计与制造，2005（10）：117-119.

[4]张琦，陈旭.LED路灯热分析及散热结构设计[J].电子与封装2009，9（05）：44-48.

[5]李菊华.LED灯具热设计与仿真[D].杭州：杭州电子科技大学，2011.

[6]赖艳华，魏露露，昌明新等.基于最小熵产法的大功率LED散热器的结构优化[J].山东大学学报（工学版），2012，42（05）：118-122.

基金项目：本文系邵阳学院 研究生科研创新计划项目 ，基于ANSYS车辆的LED灯散热器的研究（CX2016SY018）

作者简介：潘裕（1992-），男，湖南邵阳人，硕士研究生在读，研究方向：装用装备设计与制造。endprint