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(dāng)多個LED密集排列組成路燈時，熱量的聚集效應(yīng)更為嚴(yán)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(jìn)行了熱分析，對其散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計與優(yōu)化，達(dá)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(jī)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)。
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圖1 熱量傳輸通道示意圖
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(shí)物如圖2所示，主要參數(shù)見表1。
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圖2 KS 路燈實(shí)物圖
表1 路燈基本參數(shù)
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首先，根據(jù)燈具、封裝光源等實(shí)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(qiáng)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。