灯具结构及散热设计探讨与实用解决方案

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1、灯具结构及散热设计探讨与实用解决方案  针对世界金融风暴的应对，中央发改委拿出4万亿连同地方财政的支持，预计将有十多万亿的资金投入到国家交通、扶持企业、完善基础建设上。最近国家科技部在全国启动“十城万盏”LED路灯半导体照明应用工程，在这股强劲东风下，一贯得到政府支持的半导体照明产业，将是一个大发展的契机。许多企业都看好这个朝阳产业的发展空间，特别是半导体户外照明的明显节能优势。于是乎近2年一哄而上的诸多企业，在还不甚了解半导体道路照明制作的特点下，模拟、仿造、沿着现今的常规照明路灯多种“蛇头”形状制作，一时间“百家争鸣

2、，百花齐放”的产品纷纷推向市场。经过这两年上路实验情况的检验，大部分的产品均存在不同程度的问题。问题出现在：1. 由于对LED光源工作条件的要求不甚了解，造成光衰减严重甚至死灯；2. 对道路照明要求感悟不足，科学性点光源光学配光难点及对色温在道路照明中的重要性的忽略，易造成眩光、斑马效益和在空气污染严重、下雨有雾天气的环境中，造成灯亮地不够亮的现象；3. 对保证LED工作条件和对电源技术性的认知程度不足，造成产品在电源上的故障层出不穷；4. 对当今LED路灯实用性道路的应用概念不清，盲目的与大功率气体放电灯“媲美”，不计

3、成本的制作超大功率LED路灯，造成不切实际的价格昂贵的路灯产品，难以推广；5. 对道路照明要求模糊，实际使用维护的欠考虑，造成直接使用业主的抵制。本人针对以上问题与大家一起讨论解决方案对LED光源的工作环境这个问题的讨论，需了解LED的基本常识：发光二极管其核心是PN结，一次它具有一般P—N结的I—N特性，即正向导通，反向截止，击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P去注入N区，进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，其现今大功率LED发光效

4、率约为30%，70%将转换为热能，需要为其做散热处理。如图1所示。图1经测试，发光二极管可正常工作的环境温度应使其结温<85℃，高于此温度范围图2效率将大大降低，甚至于烧毁。如图2所示从测试数据图示表可以清晰的看出LED的工作环境温度对其寿命的直接影响的重要性。特别值得一提的是：对散热材料的热平衡速度要求重视度不够，造成光源的热得不到有效的处理引起光衰减严重。一般功率器件（如电源IC）的散热计算中，只要结温小于最大允许值（一般是125℃）就可以了。但在大功率LED散热设计中，其结温TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ对

5、LED的出光率及寿命有较大影响：TJ越高会使LED的出光率越低，寿命越短。TJ=50℃时，寿命为90000小时；TJ=80℃时，寿命降到34000小时；TJ=115℃时，其寿命只有13000小时了；TJ在散热设计中要提出最大允许结温值TJmax,实际的结温值TJ应小于或等于要求的TJmax,即TJ≤TJmax。大功率LED路灯的散热路径如图3所示：在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。若管芯传导到散热垫底面的热阻为RJC（LED的热阻）、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气

6、的热阻为RBA,则从管芯的PN结TJ传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为：RJA=RJC+RCB+RBA热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。可以通过试验、计算得出TJ方法是基于用某种PCB及一定散热面积。如果计算出来的TJ小于要求（或等于）TJmax，则可认为选择的PCB及面积合适；若计算来的TJ大于要求的TJmax，则要更换散热性能更好的PCB，或者增加散热器的散热面积。在室温条件下测得的（室温一般15～30℃）：若LED灯使用的环境温度TA大于室温时，则实际的TJ要比在室温测量后计算的TJ要高，若测试时在

7、恒温箱中进行，其温度调到使用时最高环境温度，为最佳。 PCB是水平安装还是垂直安装，其散热条件也不同，灯具的外壳材料、尺寸及有无散热孔对散热也有影响。因此，在设计时要留有余地。图4A．目前散热器的状况是怎样的？什么样材质的散热器散热效果最好？什么样的设计最适合空气对流？这是目前LED灯具散热方面比较突出的三个问题。多篇文章中都阐述了散热是靠面积而不是靠体积的大小，许多企业都了解个中道理，于是诸多壳体采用了多层翅片散热（如图4），但往往忽略了翅片积尘和自洁性差的问题，灯具使用一段时间后灯壳上积累的灰尘容易结成污垢，影响了灯

8、具的散热，从而影响了灯具的寿命。材料分析先从金属的热传递系数表来分析（如表1）基本单位为W/m•K，即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文时的热传导功率。热传导系数越大，表示材料散热特性越好。影响物质导热系数的因素很多，主要为物质的种类和温度、湿度、密度有关。表1，金属热传递系数表从上表看，各种材料都