一种基于LED照明灯具的散热片设计与分析

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    1.引言

  led 照明具有三个最为主要的优点:节能、环境保护、绿色(GREEN)照明。这使得LED 成为当今世界上替代(用一物质代替另一物质(多为强者取代弱者的地位))传统光源的新一代光源之一。在LED 工作过程中,由于是PN 结工作,LED芯片会有发热现象(phenomenon)产生,所以必须针对这种情况做好散热设计。LED 照明灯具发光后产生的热量主要通过LED基板和安装在LED 上的散热装置(zhuāng zhì)传导出去。而良好的散热设计可以大幅度增加LED 的使用寿命,因此散热设计对LED 光源的性能起着至关重要的作用。
  解决散热(radiating)问题的方法主要有两种:改善灯具内部LED 芯片的质量,在同样的工作电流下提高芯片发光的内量子效率,从而提高芯片的发光效率;改进灯具外部的散热设计,配置合理的散热装置,以加快散热过程(guò chéng)。本文主要从第二点出发,对LED照明灯具的散热进行分析。
  2 大功率(指物体在单位时间内所做的功的多少)LED的结构(Structure)及导热途径
  1 显示出SMT LED 封装中的基本内部结构。
  这里是一个TOP LED,它也是一个在印刷(Printing)电路(Electric circuit)板(Printed Circuit Board)上安装实现散热的方法。LED 由焊接或压焊粘合的引线架上安装的芯片组成。引线由高导电材料铜组成。
  从引线架到引线端通过热传导形成从PN 结处的主要热流通路径。另一部分的传输路径是从芯片的表面到封装表面。热从引线端同时通过热传导以及经电路板的表面对流和辐射通过热提取实现扩散。从PCB 板到空气(AIR)的热传输效率对于芯片和空气之间的温度差有显着的影响。
  3 照明所用LED散热基板特点分析
  LED芯片有源区面积小、工作电流大,造成LED芯片的工作温度很短时间内就会升高。LED 的PN结结温上升导致LED输出光功率减小,加速芯片老化,器件寿命缩短。随结温的上升LED 的波长还将发生“红移”。所以考虑(consider)到实际应用中对色漂移的不良影响,热设计也要对最高结温进行限制。
  在大功率LED 散热通道中,散热基板是连接内外散热通路的关键环节,它至少有以下功能:LED 芯片的散热通道;LED 芯片的电气连接基板;LED芯片的物理支撑。照明所用大功率LED的基板材料必须有高电绝缘性能(xìng néng)、高稳定性、高热导率,与芯片相近的热膨胀系数以及平整性和较高的强度。
  传统散热片材料为铝合金或铜材料,铝的热传导性可达209 W /m ·K,加工特性很好、成本(Cost)低,因此应用(application)非常广泛。铜的热传导率390 W /m ·K,比铝增加70%,但缺点是比铝重三倍左右,而且很难加工。
  然而,当应用场合受限于传导特性为重点时,通常使用铜。除这两种材料之外,一些增加散热的材料如以碳为基材的化合物材料、金属粉沫烧结材料、化合的钻石以及石墨等都是目前受瞩目的热传导材料。
  AlSiC 是目前最新的材料,它是混合各种铝合金以制成特殊的物理性质,有控制的热膨胀、高传导性以及显着的强度特性。当然由于成本关系,这些新材料一般用在功率模块底部和芯片直接接触(touch)的基板。
  4 LED照明灯具所用散热片的设计
  散热片的种类很多,由制造方式来看,气冷的散热片可分为压印散热片、挤型散热片、铸造散热片、接着散热片、折迭散热片、改良式的铸造散热片、锻造散热片、切削散热片、机械加工散热片等。
  散热片的大小与厚度,直接影响了有效散热面积与排热的能力。led台灯又称固态照明,作为继白炽灯、荧光灯后的第三代照明技术,具有节能、环保、安全可靠的特点,固态光源是被业界看好的未来十年替换传统照明器具极具潜力的新型光源,代表照明技术的未来。发展新固态照明,不仅是照明领域的革命,而且符合当前政府提出的“建设资源节约型和环境友好型社会”的要求。良好的散热片应该大于接触面,同时还要有尽量多的散热面积才行。散热垫片也是一种极佳的导热材料,它与散热片的结合,可以改善散热效果。
  包络体积是指散热片所占的体积,如果发热功率(指物体在单位时间内所做的功的多少)大,所需的散热片体积就比较大。散热片的设计可就包络体积做初步的设计,然后再就散热片的细部。发热瓦数和包络体积的关系如式所示:

  要使得散热片效率增加,散热片底部厚(thickness)度有很大的影响,散热片底部必须够厚才能使热顺利地传到所有的鳍片,使得所有鳍片有最好的利用效率。
  但是若底部太厚,除了浪费材料,也会造成热量累积,反而使导热能力降低。良好的底部厚度设计必须由热源部分厚而向边缘部份变薄,如此可使散热片由热源部分吸取足够的热向周围较薄的部分迅速传递。散热瓦数和底部厚度的关系如式所示:

  散热片表面做耐酸铝或阳极处理可以增加热辐射性能,从而增加散热片的散热效能。一般而言,外部颜色是白色或黑色关系不大。表面突起的处理可增加散热面积,但是在自然对流的场合,反而可能阻碍空气(AIR)流动而降低(reduce)效率。
  上述设计方式仅供参考,实际散热片设计时还需考虑(consider)与器件以及环境的配合,尤其是高效能散热片的设计需配合实验验证以及计算机分析模拟。目前(Nowadays)散热片的设计已渐渐趋向极限,空气冷却的方式无法满足大功率LED 的散热需求,散热片设计应结合LED 的功率数这个特点,使得散热的设计更为弹性及多样化。不论如何,散热片仍然是LED 灯具最常见的散热方式,善用散热片设计可改善LED 发热状况。
  5 LED在散热片表面分布的散热分析
  为分析LED 芯片在散热片上热分布情况,大家通过在一块散热片上放置LED 的相对位置不同,来分析对散热的影响。led台灯又称固态照明,作为继白炽灯、荧光灯后的第三代照明技术,具有节能、环保、安全可靠的特点,固态光源是被业界看好的未来十年替换传统照明器具极具潜力的新型光源,代表照明技术的未来。发展新固态照明,不仅是照明领域的革命,而且符合当前政府提出的“建设资源节约型和环境友好型社会”的要求。实验材料为一块大小为200mm× 60mm× 15mm的散热片,两块导热垫片导热系数是6.0W/m·K,面积是20mm×30mm。配有两块焊有LED芯片的单个铝基PCB板。测试仪器为FLUKE温度传感器,实验时环境温度为26℃,环境相对湿度为52 %。
  实验过程如下:在散热片上每隔20mm 取放置LED 芯片的位置,每块焊有LED 芯片的PCB板与散热片之间加导热垫片。led灯珠使用低压电源,供电电压在2-4V之间,根据产品不同而异,所以它是一个比使用高压电源;更安全的电源,特别适用于公共场所;亮度随电流的增大而变亮,小功率LED灯珠工作电流为0-60mA,大功率LED工作电流在150mA以上。所加电源电压(voltage)6.3V,电流0.7A,功率4.41W,进行散热测试。表1 是所采集的数据。d 表示两个LED 芯片之间的距离(distance),t 表示LED 芯片的温度(temperature)。

  从表1 中可以看出,随着两颗LED 芯片之间距离的增加,LED 芯片的温度逐渐降低,这种变化是比较明显的,以温度为纵坐标,以两颗LED 芯片之间的距离为横坐标,得出二者的散点分布,如2 所示。

  从2 可以看出,二者近似形成一条曲线,应用数理统计的方法可以拟合这条曲线。最终得到的数学模型是:
  可以看出,合理选取散热(radiating)片的面积和正确摆放LED 芯片可以使散热效果更好。如果功率和散热片的形状改变,那么会有以下关系式,即:

  在式中,功率(指物体在单位时间内所做的功的多少)不同
  A、b 的系数不同。实际中可以根据功率大小和散热片大小计算出
  A、b 的值。
  在给定面积的散热片上LED芯片与LED芯片的位置尽量远一些,也就是说在设计PCB 板时,LED芯片的位置应尽量分散,不要集中在一起。如果在灯具大小允许的情况下,PCB 板的面积也应尽量大一些,因为一般散热片的面积和PCB 板的面积大小差不多,这样有助于散热。但也不能过大,因为从上面分析中可以看出,面积大到一定程度时散热效果就基本不变了。
  6 结论
  LED灯具需要使用散热片来控制LED 芯片的温度,尤其是结温T,使其低于LED 芯片正常工作的安全结温,从而提高LED 芯片的可靠性。常规散热器趋向标准化、系列化、通用化,而新产品则向低热阻、多功能、体积小、质量轻、适用于自动化生产与安装等方向发展。通过LED 芯片发热原理的分析和散热计算,可以引导设计散热方式和散热器的选择,保证了LED 工作在安全的温度范围内,减少了质量问题。合理选用、设计散热器,能有效降低LED 的结温,提高LED 的可靠性。如果LED的散热问题得以解决,LED照明灯的优势就能显示出来,也就会很快取代传统光源。
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