大功率LED路灯的散热结构设计和参数优化

摘要：为了达到对大功率LED路灯产品既降低制造成本(散热器质量)又加快散热的目的，优化了LED路灯散热器结构。在对原有结构参数化建模及热分析的基础上，采用正交试验分析了散热器中平板厚度、翅片厚度、翅片间距、翅片高度4因素对产品质量与散热效果的影响，并研究了同一结构下热传导与热对流两种方式对散热的影响，最终得出了一个较为理想的优化结果。数据结果表明，改进后的散热器最高温度较原始模型下降了11℃以上，同时，质量降低了约15．3％。
关键词：大功率LED路灯；热分析；散热结构；ANSYS

    目前，LED照明产品正在逐渐取代传统的照明灯具成为主流照明产品。对于高功率的LED路灯而言，光效是灯具设计师关注的重点，然而，LED模组的低结温是实现长寿命和高光效的至关因素。现实中，有很多关于路灯早期失效的报道，称之为死灯，这对公共照明来说是一个极大的制约。因此，如何降低大功率LED产品的结温是研究热点问题之一。
    众所周知，LED光电转换效率制约在15％～20％，其余的电能几乎全部转换成热能，因此在LED产品工作时，将会产生大量的热量。当多个LED密集排列组成路灯时，热量的聚集效应更为严重。若不将此热量尽快散出，随之而来的热效应将非常明显。这将会引起芯片内部热量聚集，导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。
    本文利用有限元分析软件ANSYS对LED路灯进行了热分析，对其散热结构进行了设计与优化，达到了降低制造成本又加快散热的效果。

1 散热器结构设计与建模
    通常条件下，热量的传递有3种方式：传导、对流和辐射。因辐射散热量非常小，所以本文主要讨论传导和对流2种传热方式。
    在LED路灯中，热传导主要表现在封装结构与散热器中，而热对流主要靠散热器来体现。因此，在大功率LED路灯中，外部散热器的结构设计非常关键，直接影响整个系统的散热能力。
    在制作LED路灯时，通常将封装好的LED光源焊接在MCPCB上，而后MCPCB与外部的散热器通过采用导热粘合剂以及机械紧固件法等固定在散热器上，如图1所示。热量的主要传输通道为：PN结-Cu柱-MCPCB-散热器-空气(环境)。

    本文主要考虑散热器对散热的影响，采用的散热器结构为一块带有很多散热翅片的热的良导体，通过具有一定厚度的“导热板”固定住装载有LED光源的MCPCB，实物如图2所示，主要参数见表1。

    首先，根据灯具、封装光源等实际尺寸，在有限元模拟分析软件ANSYS中建立模型如下。
    在此模型中，考虑到灯具传热的主要途径，忽略了封装光源的引脚对散热的影响。同时，由于封装用的环氧树脂热导率只有0.2W／mK，在这里作绝热处理。另外，假设各接触面均为理想接触界面，即不考虑界面热阻。在模拟过程中，边界条件设置如下：芯片功率为1 W，光电转换效率设置为15％，与空气对流系数设为5，散热体黑度为0．5，环境温度为25℃。

2 散热器参数优化
    现今，LED路灯散热设计中存在以下问题：散热翅片面积随意设定；散热翅片布置方式不合理；灯具散热翅片的布置没有考虑到灯具的使用方式，影响到翅片效果的发挥；强调热传导环节、忽视对流散热环节；忽视传热的均衡性。这种往往导致了散热器质量庞大，其中一部分翅片没有发挥作用或作用很有限。
2．1 参数优化实验一
    本文利用正交试验对散热片结构中的底板厚度、翅片厚度、翅片间距、翅片高度4个因素进行了优化设计。把以上影响散热片散热性能的4个参数作为因素，每个因素取4个水平，以模型质量和最高温度为指标，采用正交表L16(44)模拟实验，结果如表2所示。

    根据正交试验表中的数据，将以上四因素对试验指标的极差进行统计，结果见表3～表6。表中数据显示对散热片质量的影响由大到小的因素依次为：翅片厚度、翅片间距、翅片高度、底板厚度；对模型最高点温度的影响由大到小的因素依次为：翅片间距、翅片高度、翅片厚度、底板厚度。

    从试验结果分析可得出，在设计大功率LED翅片式散热结构时，为了得到更好的散热效果，应使翅片厚度和翅片间距尽可能小，但实际上这些值又不能无限小。首先，由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲击。其次，翅片间距减小，翅片数量增加，会导致静压下降。若翅片数量过多过密，则会降低空气流速，相反会使散热片的散热效率降低。
    另外，在实际中，因美观与一些特定的环境要求，会对灯具整体高度有所限制。这样就限定了散热器的高度，而散热器的高度是底板与翅片高度之和。若增加底板厚度则散热片的高度就要降低。在整个散热结构中，底板的主要功能是将灯具内部光源产生的热量导出，再有外部的翅片散发掉。因此，选取合适的底板厚度和翅片高度也是加快散热的有效途径。
2．2 参数优化实验二
    在现有LED路灯散热结构中，多采用导热板方式，即一定厚度的底板作为均温板，先把热源均温掉；这部分主要起到热传导的作用，将LED产生的热量从灯具内部导出。再借由外部翅片将热量散发出去。然而外部翅片散热机理，即在何种形态以及比例下散热效果会最佳，没有发现对此类问题的进一步研究与优化。
    为了说明传导与对流对散热的影响，本文利用ANSYS对单个LED的散热过程进行了分析。整个试验过程中，总的长度是不变的。整体散热过程是热传导与对流相互作用的结果，为了说明各自的影响，姑且将翅片划分为传导部分与对流部分来分析。试验中，将假设的非传导部分细化，以增加其对流面积。利用ANSYS对单个LED下总散热柱的长度为50 mm的模型进行了热分析，结果见表7。

    由以上结果可知，并不是“传导长度”越长，温度就越低；因为“传导长度”越长，相应的对流并不是最好的，在整个散热过程中，这两者相互制约，只有在两者选取都非常合理的时候，才能得到最佳的效果。正如此试验中选取的“传导长度”为40mm时，得到了最低温度56．504℃，如图4所示。

2．3 结果验证
    结合以上试验分析结果，在充分考虑LED路灯产品的外观、散热片质量、强调热传导与对流散热环节的平衡等因素后，对LED路灯产品的散热片结构进行了优化设计。由表8可知，参数优化后的结构首先减小了散热器的质量，其质量由10.41kg下降为8．82 kg，比原有的减小了15．3％。图5为散热器改良前的结构图。

    利用ANSYS分析软件和红外热像仪对两种产品进行了热分析和实测，其结果分别如下图6、图7所示。
    由上图可知，利用ANSYS分析的结果，温度由63．325℃降为53．325℃，降幅为10℃；而实测结果的温度则由66．7℃下降为54．8℃。降幅为11．9℃。模拟结果中温度分布与实测温度分布基本相符，温度范围稍小于实测温度范围，这主要是由于模拟过程中忽略了界面热阻、芯片与管壳粘接材料的热阻以及MCPCB与散热器之间粘接材料的热阻。

3 结论
    对于由多个大功率LED密集排列组成的路灯，其更多的热量需要从芯片结区有效地消散掉，因此大功率LED路灯的热管理问题对于LED散热技术是一个挑战。
    本文首先根据现有LED路灯产品建立起了基于热传导／热对流的有限元模型，利用ANSYS对其散热结构进行了热分析：另外，通过两种优化试验，分析了不同结构参数对质量与热分布的影响，同时着重研究了热传导与热对流两种散热方式对散热的影响，最终得出了一个较为理想的优化结果。优化后的结构经软件模拟与实测结果显示，改进后的散热器质量比原有散热器降低了约15．3％；同时，温度较原始模型有较大的下降，降幅达到了11℃以上；这为以后散热器的设计提供了一个指导方向。