led道路照明燈具散熱系統分析

　　前言

　　在我國的總用電量中，照明用電大約占13%。而城市公共照明尤其是道路照明用電在整個照明領域占有龐大的份額。近年來，隨著國家建設節約型社會戰略的提出，作為一種高效節能的新型光源，在其生產工藝以及性能不斷進步的基礎上，LED進入道路照明領域已經成為一種必然趨勢。

　　1、LED的結溫和性能的關系

　　目前限制LED道路照明燈具發展的瓶頸主要有兩個：一個是成本。目前LED光源相對傳統光源來說，價格還是偏高。但是隨著生產工藝的進步以及國內企業的廣泛參與，LED成本會逐步下降。另一個瓶頸是散熱。由于LED屬于半導體發光器件，而半導體器件隨著自身溫度的變化，其特性會有明顯的變化。對于LED，結溫的升高會導致器件各方面性能的變化與衰減。這種變化主要體現在三個方面：

　　(1)減少LED的外量子效率；

　　(2)縮短LED的壽命；

　　(3)造成LED發出光的主波長偏移，從而導致光源的顏色發生偏移。

　　其中，器件的外量子效率是與LED光效直接相關的量，外量子效率的下降將會直接導致LED光效的降低。隨著器件PN結溫度的上升，白光LED芯片的發光主波長會向長波方向移動。統計資料表明：在100℃的溫度下，波長可以紅移4～9nm，從而導致YAG熒光粉吸收率下降，也會導致LED輸出光通量的減少。圖1是CREE公司生產的X2Lamps系列產品(a)與LUMILEDS公司生產的LUXEONK2系列產品(b)相對光輸出隨結溫的變化曲線，這兩種產品都是現在技術較成熟的大功率白光LED。從圖1可以發現，當器件結溫上升到65℃時，二者的光輸出相對于室溫時會下降10%左右。

圖1：LED相對光輸出隨結溫的變化曲線（點擊圖片放大）。

　　對于單個LED而言，如果熱量集中在尺寸很小的芯片內而不能有效散出，則會導致芯片溫度升高，引起熱應力的非均勻分布，芯片的失效率也會上升。研究表明：當溫度超過一定值時，LED的失效率將呈指數規律攀升，LED的溫度每上升2℃，可靠性下降10%。

圖2是LUMILEDS生產的LUXEONK2系列產品結溫與壽命的關系。從圖中可以看到，當結溫上升時，LED的光衰會明顯加快，壽命也明顯降低。光效、色溫、壽命等參數都是照明應用中非常重要的指標，因此如何通過合理的散熱設計，控制LED燈具的溫升是LED進入道路照明領域亟需解決的問題。

圖2：LED結溫與壽命關系曲線（點擊圖片放大）。

　　2、路燈燈具熱學分析模型

　　要想分析路燈的熱學傳導模型，首先要選出溫度基準，就是我們要最終分析和控制的溫度指標?，F在市場上很多LED燈具產品給出的溫升指標大部分都是基于燈具外殼的溫度相對于環境溫度的差異，用這種方法來衡量燈具散熱性能存在著一定的局限性。因為與LED器件性能直接相關的是其PN結的結溫，我們關心的最終指標是結溫的高低。不同燈具在LED光源選取、燈具材料使用、生產工藝以及散熱設計等各方面都有很大不同，導致從LED的PN結到燈具外殼的熱阻有很大的差異。在這種情況下，用燈具外殼溫度相對環境溫度的溫升來判斷燈具的散熱性能是不科學的。我們必須通過一定方法測量出芯片的結溫，然后通過結溫的變化來衡量燈具散熱設計的優劣。

　　綜合考慮道路照明的各項要求，以及路燈的在配光、機械、防護等級等各方面的要求，目前應用在LED道路照明燈具中的主要散熱方式有兩種：第一種是被動式散熱，即通過安裝散熱片來散熱。這種方式結構簡單，但散熱效率比較低；第二種是主動式散熱，即通過外加風扇或者水冷等方式來散熱，這種方法散熱效率比較高，但是需要額外的功耗，會降低系統效率，并且設計難度很大。

　　這兩種散熱方式各有優缺點，做出的燈具產品結構大不相同，但是綜合燈具設計的各方面因素以及結合LED自身的特點考慮，目前LED燈具核心的結構還是基本相同的，既選用1W左右的LED焊接在鋁PCB板上，然后將PCB板通過合適的分布方式固定在燈具外殼上，再依靠外殼將熱量散出去。因此，其熱量的流動大概可以簡單歸結為如下過程：先是經過焊接層將熱量傳給固定LED的鋁基板，然后鋁基板導熱膠將熱量傳給燈具外殼，再通過燈具外殼傳導給各個散熱片，最后靠散熱片與空氣間的對流將熱量散出。整個過程可以用如圖3所示的等效熱阻模型來表示。

圖3：LED路燈燈具等效熱阻模型示意圖（點擊圖片放大）。

　　熱量的傳遞主要有三種方式：熱傳導、熱對流和熱輻射。通過圖示分析可知，LED路燈燈具在散熱過程中主要是利用傳導和對流來散熱，因此燈具熱學系統的熱阻也就可以主要分為兩種：傳導型熱阻和對流型熱阻。對于傳導型熱阻，其阻值R=ΔxPKA；對于對流型熱阻，其阻值R=1PhA。其中：K是材料的導熱系數，h是對流系數，A是導熱面積。

　　通過圖3可知，如果想將LED產生的熱量迅速傳遞到大氣環境，需要經過的傳導熱阻包括LED器件與鋁基PCB板焊接層之間的焊接熱阻、鋁基PCB的熱阻、鋁基PCB板與燈具外殼之間的導熱硅膠層熱阻、以及燈具外殼的熱阻。由于焊接以及涂硅膠的工藝都有可能產生氣泡，引入空氣熱阻，并且這種氣泡是包圍在焊接層與硅膠內部的，很難與外界氣體進行交流，所以這部分熱阻可以看作空氣傳導熱量的傳導熱阻，而不是對流熱阻。

　　通過前面的公式我們可以看出，要降低各部分的熱阻，在材料選定的情況下，應盡可能降低材料的厚度。鋁的導熱系數K=202WPmmiddot;℃，鎳的導熱系數是93WPm·℃，而空氣的導熱系數是01024WPm·℃，因此，為降低連接層的熱阻，就要盡可能減少焊接層和硅膠層中的氣泡。以下結合兩種具體的散熱方式來分析燈具的散熱設計。

　　3、被動式散熱

　　被動式散熱就是依靠燈具自身的外表面與空氣的自然對流將LED產生的熱量散出。這種散熱方式設計簡單，并且很容易和燈具的機械結構設計結合起來，這就比較容易達到燈具的防護等級要求，并且成本較低，因此是目前采用最廣泛的一種散熱方式。但是這種散熱方式也有缺點，就是散熱效率不高，并且設計出的燈具因為有大量的散熱片而導致燈具過重。同時由于散熱片的存在，使得燈具外殼比較容易積灰，會降低燈具的維護系數。

　　為科學地分析這種散熱的方式的散熱效率，我們選取了幾種采用這種散熱方式的LED道路照明燈具，每個樣品在同一封閉房間內(保證空氣的對流系數相同)燃點3h(確保燈具已達到熱平衡)后，測量其結溫，為消除室溫波動的影響，我們在分析時采用相對溫度，即穩態結溫與室溫的差值來衡量燈具的散熱效果，具體數據見表1。

表1：采用同類散熱方式的燈具散熱效果比較

　　為衡量燈具的散熱效率，燈具的輸入功率以及機械參數也列在表1中。其中散熱片面積是整個燈具的有效外表面面積(不包括前端玻璃的面積)，單位功耗對應的散熱面積由散熱片面積除以燈具的輸入功率得出，此指標用來衡量燈具的散熱效率。為了更直觀的反映單位功耗對應散熱面積與燈具結溫變化即燈具散熱效果之間的關系，我們將這兩項指標做成散點圖，如圖4所示。

圖4：單位功耗對應散熱面積與燈具散熱效果之間的關系

　　通過分析表1數據，并結合圖4可以發現，散熱面積越大，器件的結溫上升會越小，但是二者