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(shí)，將會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。當(dāng)多個(gè)LED密集排列組成路燈時(shí)，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(lái)的熱效應(yīng)將非常明顯。這將會(huì)引起芯片內(nèi)部熱量聚集，導(dǎo)致發(fā)光波長(zhǎng)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(wèn)題。
本文利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)LED路燈進(jìn)行了熱分析，對(duì)其散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(jì)與建模
通常條件下，熱量的傳遞有3種方式：傳導(dǎo)、對(duì)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(duì)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(duì)流主要靠散熱器來(lái)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(jì)非常關(guān)鍵，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的散熱能力。
在制作LED路燈時(shí)，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(guò)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(duì)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(guò)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(jiàn)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(duì)散熱的影響。同時(shí)，由于封裝用的環(huán)氧樹(shù)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(guò)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(duì)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(jì)中存在以下問(wèn)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(méi)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(duì)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(méi)有發(fā)揮作用或作用很有限。
2.1 參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)一
本文利用正交試驗(yàn)對(duì)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(gè)因素進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。把以上影響散熱片散熱性能的4個(gè)參數(shù)作為因素，每個(gè)因素取4個(gè)水平，以模型質(zhì)量和最高溫度為指標(biāo)，采用正交表L16(44)模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。
表2 正交試驗(yàn)結(jié)果表
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根據(jù)正交試驗(yàn)表中的數(shù)據(jù)，將以上四因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的極差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3～表6。表中數(shù)據(jù)顯示對(duì)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(duì)模型最高點(diǎn)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。
表3 翅片厚度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的極差分析表
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表4 翅片間距對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的極差分析表
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表5 翅片高度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的極差分析表
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表6 底板厚度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的極差分析表
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從試驗(yàn)結(jié)果分析可得出，在設(shè)計(jì)大功率LED翅片式散熱結(jié)構(gòu)時(shí)，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(shí)際上這些值又不能無(wú)限小。首先，由于自然對(duì)流達(dá)到熱平衡的時(shí)間較長(zhǎng)，所以自然對(duì)流散熱器的基板及齒厚應(yīng)足夠，以抗擊瞬時(shí)熱負(fù)荷的沖擊。其次，翅片間距減小，翅片數(shù)量增加，會(huì)導(dǎo)致靜壓下降。若翅片數(shù)量過(guò)多過(guò)密，則會(huì)降低空氣流速，相反會(huì)使散熱片的散熱效率降低。
另外，在實(shí)際中，因美觀與一些特定的環(huán)境要求，會(huì)對(duì)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(jī)理，即在何種形態(tài)以及比例下散熱效果會(huì)最佳，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)對(duì)此類問(wèn)題的進(jìn)一步研究與優(yōu)化。
為了說(shuō)明傳導(dǎo)與對(duì)流對(duì)散熱的影響，本文利用ANSYS對(duì)單個(gè)LED的散熱過(guò)程進(jìn)行了分析。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，總的長(zhǎng)度是不變的。整體散熱過(guò)程是熱傳導(dǎo)與對(duì)流相互作用的結(jié)果，為了說(shuō)明各自的影響，姑且將翅片劃分為傳導(dǎo)部分與對(duì)流部分來(lái)分析。試驗(yàn)中，將假設(shè)的非傳導(dǎo)部分細(xì)化，以增加其對(duì)流面積。利用ANSYS對(duì)單個(gè)LED下總散熱柱的長(zhǎng)度為50 mm的模型進(jìn)行了熱分析，結(jié)果見(jiàn)表7。
表7 溫度與“傳導(dǎo)長(zhǎng)度”的關(guān)系表
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由以上結(jié)果可知，并不是“傳導(dǎo)長(zhǎng)度”越長(zhǎng)，溫度就越低;因?yàn)椤皞鲗?dǎo)長(zhǎng)度”越長(zhǎng)，相應(yīng)的對(duì)流并不是最好的，在整個(gè)散熱過(guò)程中，這兩者相互制約，只有在兩者選取都非常合理的時(shí)候，才能得到最佳的效果。正如此試驗(yàn)中選取的“傳導(dǎo)長(zhǎng)度”為40mm時(shí)，得到了最低溫度56.504℃，如圖4所示。
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圖4 最佳“傳導(dǎo)長(zhǎng)度”溫度分布圖
2.3 結(jié)果驗(yàn)證
結(jié)合以上試驗(yàn)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(qiáng)調(diào)熱傳導(dǎo)與對(duì)流散熱環(huán)節(jié)的平衡等因素后，對(duì)LED路燈產(chǎn)品的散熱片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。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。
表8 改進(jìn)結(jié)構(gòu)前后參數(shù)對(duì)比表
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圖5 散熱器結(jié)構(gòu)圖
利用ANSYS分析軟件和紅外熱像儀對(duì)兩種產(chǎn)品進(jìn)行了熱分析和實(shí)測(cè)，其結(jié)果分別如下圖6、圖7所示。
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圖6 ANSYS 熱分析溫度場(chǎng)分布圖
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圖7 散熱器實(shí)物與紅外實(shí)測(cè)圖
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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)溫度分布基本相符，溫度范圍稍小于實(shí)測(cè)溫度范圍，這主要是由于模擬過(guò)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(duì)于由多個(gè)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(wèn)題對(duì)于LED散熱技術(shù)是一個(gè)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(duì)流的有限元模型，利用ANSYS對(duì)其散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱分析：另外，通過(guò)兩種優(yōu)化試驗(yàn)，分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)質(zhì)量與熱分布的影響，同時(shí)著重研究了熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流兩種散熱方式對(duì)散熱的影響，最終得出了一個(gè)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(shí)測(cè)結(jié)果顯示，改進(jìn)后的散熱器質(zhì)量比原有散熱器降低了約15.3%;同時(shí)，溫度較原始模型有較大的下降，降幅達(dá)到了11℃以上;這為以后散熱器的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)指導(dǎo)方向。