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大功率LED路灯的散热结构实现

 

  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)。
 

  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。

 

 
   

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