LED大功率燈具散熱技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計

1、LED大功率燈具散熱技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計摘 要: LED作為新一代綠色光源，環(huán)保型固體照明光源，已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，正在被廣泛的應(yīng)用于照明行業(yè)。它具有耗電量少、光色純、全固態(tài)、質(zhì)量輕、體積小、環(huán)保等一系列的優(yōu)點(diǎn)。LED 發(fā)光時會有部分能量轉(zhuǎn)化為熱量，因此會使LED芯片溫度升高。而溫度對LED芯片的工作性能影響極大，高溫會導(dǎo)致芯片射出的光子減少，色溫質(zhì)量下降，加快芯片老化，縮短器件壽命等嚴(yán)重的后果。因此為保證LED正常工作，必須將其散發(fā)出來的熱量及時的散發(fā)出去。目前大功率LED 芯片應(yīng)用的越來越多，據(jù)資料顯示大功率LED 只能將約10%-15%的輸入功率轉(zhuǎn)化為光能，而將其余85%-90%轉(zhuǎn)化為熱能

2、 ，因此散熱問題更為嚴(yán)峻。本文通過了解LED結(jié)溫原因，并制定分析對策，利用熱量傳遞的基本原理對大功率熱源LED散熱器進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，采用先進(jìn)鰭片散熱技術(shù)、熱管散熱技術(shù)及風(fēng)冷鰭片散熱技術(shù)等有效地將LED所產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移，從而保障LED等光電器件的正常運(yùn)作。關(guān)鍵字：LED散熱；熱特性；鰭片散熱；熱管散熱；風(fēng)冷鰭片散熱。一、 LED發(fā)熱的原理及散熱的必要性LED是一種新型綠色光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小、控制靈活、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。但是受到當(dāng)前LED芯片技術(shù)限制，目前LED發(fā)光效率低,大部分的能量全部轉(zhuǎn)化成了熱能。熱量的集聚使芯片溫度上升會引起LED光通量下降，變差，加速芯片老化使其壽命減短等

3、一系列問題。LED芯片的散熱問題已經(jīng)成為大功率LED技術(shù)在照明工程應(yīng)用的瓶頸。LED溫度與壽命關(guān)系圖1LED溫度與發(fā)光效率關(guān)系圖2二、 LED結(jié)溫產(chǎn)生的原因及對策1. 產(chǎn)生LED結(jié)溫的原因：A. LED芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)電阻相互壘加，構(gòu)成LED元件的串聯(lián)電阻，當(dāng)電流流過時會產(chǎn)生焦耳熱3；B. LED芯片內(nèi)部PN結(jié)4的電子與空穴對合并時，一部分產(chǎn)生光，一部份以發(fā)熱形式把能源消耗掉，最終都以熱的形式表現(xiàn)出來；C. LED芯片內(nèi)部PN結(jié)產(chǎn)生的光不能全部透射出來，一部分由于折射和全反射的存在，光轉(zhuǎn)變成熱的形式表現(xiàn)出來；D. LED芯片內(nèi)部材料的熱阻存在，使LED產(chǎn)生的熱量不能及時導(dǎo)出，使結(jié)溫上升。2

4、. 降低LED結(jié)溫的途徑有哪些？A. 減少LED本身的熱阻；B. 良好的二次散熱機(jī)構(gòu)；C. 減少LED與二次散熱機(jī)構(gòu)安裝介面之間的熱阻；D. 控制額定輸入功率;E. 降低環(huán)境溫度LED的輸入功率是元件熱效應(yīng)的唯一來源，能量的一部分變成了輻射光能，其余部分最終均變成了熱，從而抬升了元件的溫度。顯然，減小LED溫升效應(yīng)的主要方法，一是設(shè)法提高元件的電光轉(zhuǎn)換效率（又稱外量子效率），使盡可能多的輸入功率轉(zhuǎn)變成光能，另一個重要的途徑是設(shè)法提高元件的熱散失能力，使結(jié)溫產(chǎn)生的熱，通過各種途徑散發(fā)到周圍環(huán)境中去。三、 熱散發(fā)的基本形式1. 熱傳遞的基本原理熱傳遞，是熱從溫度高的物體傳到溫度低的物體，或者從物體

5、的高溫部分傳到低溫部分的過程。熱傳遞是自然界普遍存在的一種自然現(xiàn)象。只要物體之間或同一物體的不同部分之間存在溫度差，就會有熱傳遞現(xiàn)象發(fā)生，并且將一直繼續(xù)到溫度相同的時候為止。發(fā)生熱傳遞的唯一條件是存在溫度差，與物體的狀態(tài)，物體間是否接觸都無關(guān)。熱傳遞的結(jié)果是溫差消失，即發(fā)生熱傳遞的物體間或物體的不同部分達(dá)到相同的溫度。熱傳遞的三種方式，即“熱傳導(dǎo)”、“熱對流”和“熱輻射”。熱傳導(dǎo)：它具有依靠物體內(nèi)部的溫度差或兩個不同物體直接接觸，在不產(chǎn)生相對運(yùn)動，僅靠物體內(nèi)部微粒的熱運(yùn)動傳遞了熱量；熱傳導(dǎo)示意圖熱對流：流體中溫度不同的各部分之間發(fā)生相對位移時所引起的熱量傳遞的過程；A. 自然對流：靠物體的密度

6、差，引起密度變化的最大因素是溫度；B. 受迫對流：受到機(jī)械作用或壓力差而引起的相對運(yùn)動；熱對流示意圖熱輻射：物體通過電磁波傳遞能量的過程稱為輻射，由于熱的原因，物體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電磁波的能量而進(jìn)行的輻射過程。熱輻射示意圖2. 影響熱傳導(dǎo)的因素A. 散熱材料的熱傳導(dǎo)率B. 散熱結(jié)構(gòu)造成的熱阻C. 熱傳導(dǎo)材料的形狀和尺寸3. 影響熱對流的因素A. 氣體的流動及其速度B. 液體的比熱容及流動速度和體積4. 影響熱輻射的因素A. 周圍環(huán)境與介質(zhì)的熱阻性、熱輻射本身材料的特性四、 影響散熱的主要因素1. 導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱率和熱阻。2. 不同材料接觸面的熱阻和介質(zhì)材料的熱阻。3. 散熱器材料的材質(zhì)及散熱面積。

7、4. 散熱器結(jié)構(gòu)的形式。5. 散熱器與空氣形成熱交換的速率。6. 環(huán)境溫度和風(fēng)速的影響。五、 散熱原理分析與技術(shù)創(chuàng)新傅立葉定律5：單位時間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比，即Q單位時間傳導(dǎo)的熱量，簡稱傳熱速率，W；A導(dǎo)熱面積，即垂直于熱流方向的表面積，m2； 比例系數(shù)，稱為物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)(或W/(m2·)。式中的負(fù)號是指熱流方向和溫度梯度方向相反，即熱量從高溫向低溫傳遞。傅立葉定律是熱傳導(dǎo)的基本定律。導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位導(dǎo)熱面積、單位溫度梯度、在單位時間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量，故導(dǎo)熱系數(shù)是表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的一個參數(shù)，為物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。 物

8、質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)是一物性參數(shù)，其值依物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度和壓力等不同而異。導(dǎo)熱系數(shù)值由實驗測定。當(dāng)物質(zhì)一定時，通常不考慮壓力對其影響而考慮溫度因素。工程計算時，遇到溫度變化的情況，可取平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)值進(jìn)行計算。 一般來說，固體的導(dǎo)熱系數(shù)大于液體的導(dǎo)熱系數(shù)，而氣體的導(dǎo)熱系數(shù)最小。導(dǎo)熱系數(shù)大的材料可用于制造換熱設(shè)備，如金屬；導(dǎo)熱系數(shù)小的材料可用于保溫或隔熱設(shè)備，如石棉。玻璃棉等。常見金屬導(dǎo)熱系數(shù)表固體溫度, 導(dǎo)熱系數(shù)W/(m2·)鋁300230鎘1894銅100377熟鐵1861鑄鐵5348鉛10033銀1004121. 鰭片式散熱結(jié)構(gòu)散熱鰭片擔(dān)負(fù)著將發(fā)熱物體產(chǎn)生的熱量散發(fā)到周

9、圍空氣中的使命。散熱片通過和芯片表面的緊密接觸使芯片的熱量傳導(dǎo)到散熱片，散熱片通常是一塊帶有很多葉片的熱的良導(dǎo)體。傅立葉定律證明散熱片性能主要和材料的導(dǎo)熱系數(shù)、總散熱面積及形狀設(shè)計有關(guān)。散熱鰭片形狀可設(shè)計成多種陣列，如條形陣列、圓柱針狀陣列等。散熱鰭片應(yīng)用于LED模塊的散熱上，主要是依靠改變散熱鰭片的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使鰭片在最小面積之下自然對流的熱傳改善效果。運(yùn)用鰭片式散熱結(jié)構(gòu)的LED燈具爆炸圖 運(yùn)用鰭片式散熱結(jié)構(gòu)的LED燈具剖面圖 通過剖面圖我們可以看到鰭片式結(jié)構(gòu)散熱器具有足夠大的換熱面積。且在材料選擇上一般選擇導(dǎo)熱性優(yōu)良的高純鋁。各種造型的鰭片式散熱結(jié)構(gòu)在LED燈具上運(yùn)用案例2. 熱管6鰭片鉚接

10、散熱技術(shù)熱管是一種優(yōu)良的導(dǎo)熱元件，一開始主要應(yīng)用于航空領(lǐng)域，具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、傳熱量大、速度快、不耗電及壽命長等諸多特點(diǎn)。熱管一端為蒸發(fā)端，另一端為冷凝端。當(dāng)熱管一端受熱時，毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另一端，重新凝結(jié)成液體，并釋放出熱量。液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)端，如此循環(huán)不止。熱量由熱管的一端傳到另一端，這種循環(huán)是快速進(jìn)行的，熱量可以源源不斷地傳導(dǎo)開來。熱管工作原理示意圖熱管的導(dǎo)熱能力超過任何已知金屬。需要注意的是：1. 熱管只是增加熱傳導(dǎo)速率，但不具備散熱能力；2.熱管+散熱片+足夠的散熱面積+足夠的與空氣對流的環(huán)境，才能解決LED散熱問題。 運(yùn)用熱

11、管鉚接鰭片技術(shù)設(shè)計的支持500W 散熱的LED投光燈運(yùn)用熱管鉚接鰭片設(shè)計的LED路燈案例3. 風(fēng)冷鰭片散熱技術(shù)在介紹風(fēng)冷技術(shù)前，我們先了解對流傳熱系數(shù)的概念。對流傳熱系數(shù)也稱對流換熱系數(shù)。對流換熱系數(shù)的基本計算公式由牛頓于1701年提出，又稱牛頓冷卻定律。牛頓指出，流體與固體壁面之間對流傳熱的熱流與它們的溫度差成正比，即：q = h*(tw-t)Q = h*A*(tw-t)式中：q為單位面積的固體表面與流體之間在單位時間內(nèi)交換的熱量，稱作熱流密度，單位W/m2；tw、t分別為固體表面和流體的溫度，單位K；A為壁面面積，單位m2；Q為面積A上的傳熱熱量，單位W；h稱為表面對流傳熱系數(shù)，單位W/(

12、m2.K)。對流換熱系數(shù)的大致量級：空氣自然對流 5 25氣體強(qiáng)制對流 20 100風(fēng)冷強(qiáng)制散熱原理是帶有鰭片的散熱器的散熱如果僅僅依靠空氣的自然對流，散熱的效果有限。采用氣體強(qiáng)制對流方式在一定速度內(nèi)會大大提高LED產(chǎn)品的散熱能力，有助于提高散熱效果。由于現(xiàn)在的集成芯片和電腦的CPU很相似，且目前風(fēng)扇馬達(dá)技術(shù)發(fā)展成熟，優(yōu)質(zhì)風(fēng)扇壽命一般都在60000萬小時以上,且防灰塵,極靜音。所以，把風(fēng)扇加到散熱器上就應(yīng)運(yùn)而生了。運(yùn)用風(fēng)冷鰭片散熱技術(shù)設(shè)計支持60W散熱的LED軌道燈運(yùn)用風(fēng)冷鰭片散熱技術(shù)設(shè)計支持60W散熱的LED玉米燈總結(jié)：為滿足大功率電子設(shè)備以及LED等光電器件高集成度、高熱流密度的要求，必須

13、設(shè)計相應(yīng)的散熱方案，將LED等光電器件所散發(fā)的熱量即時轉(zhuǎn)移。而針對不同的熱流密度及結(jié)構(gòu)需求，采用先進(jìn)鰭片散熱技術(shù)、熱管散熱技術(shù)及風(fēng)冷鰭片散熱技術(shù)等有效地將LED所產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移，從而保障LED等光電器件的正常運(yùn)作。注釋：1. Cree公司發(fā)布的光衰和結(jié)溫的關(guān)系圖2. Cree公司的XLamp7090XR-E的發(fā)光量和結(jié)溫的關(guān)系如圖2所示3. 焦耳熱（Joule heat）1841年，英國物理學(xué)家焦耳發(fā)現(xiàn)載流導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量Q，這種熱量叫做焦耳熱，單位為焦耳（J）。4. PN結(jié)采用不同的摻雜工藝，通過擴(kuò)散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成

14、空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)（英語：PN junction）。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，是電子技術(shù)中許多元件，例如半導(dǎo)體二極管、雙極性晶體管的物質(zhì)基礎(chǔ)5. 傅立葉定律是傳熱學(xué)中的一個基本定律，由法國著名科學(xué)家傅里葉于1822年提出。6. 熱管技術(shù)是1963年美國洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)國家實驗室的喬治格羅佛(George Grover)發(fā)明的一種稱為“熱管”的傳熱元件，它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。參考文獻(xiàn)：1 王靜,吳福根. 改善大功率LED散熱的關(guān)鍵問題J. 電子設(shè)計工程, 2009,(04) :123-125.2 游志. 大功率LED散熱鰭片擴(kuò)撒熱阻研究J. 電子工業(yè)專用設(shè)備, 2010,(09):37-40.3 牛頓冷卻定律在物質(zhì)比熱容測定實驗中的應(yīng)用-安慶師范