楊 輝 楊維明 陳建新 劉國富

(1.湖北大學(xué)物理學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430062;2.北京工業(yè)大學(xué)光電實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

1 引言

隨著大功率白光LED的技術(shù)革新，LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。2010年10月，國務(wù)院正式發(fā)布《國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，將半導(dǎo)體照明列為七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向，明確了半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)在國家層面上的政策導(dǎo)向。在道路照明方面的應(yīng)用也變得尤為關(guān)注。但是，基于目前的半導(dǎo)體制造技術(shù)，LED輸入功率中只有大約30%的能量轉(zhuǎn)化為光能，其他的則轉(zhuǎn)化為熱能［1］。因此當(dāng)多顆LED集中工作時(shí)，將會產(chǎn)生巨大的熱量。若不能使這些熱量盡快且有效地耗散，隨之而來的熱效應(yīng)將會變得非常明顯，進(jìn)而結(jié)溫上升，減少芯片射出的光子，使色溫質(zhì)量降低，加快芯片老化，縮短LED壽命，且由于LED芯片輸入功率的不斷提高，因散熱問題牽扯到光、電、色等一系列的問題顯得更加突出［2］，因此對LED路燈散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)就變得異常關(guān)鍵。

2 散熱技術(shù)研究現(xiàn)狀

LED的熱僅通過熱傳導(dǎo)的方式散發(fā)，它不像傳統(tǒng)光源大部分的熱是靠熱輻射的方式散發(fā)出去的，經(jīng)過試驗(yàn)證明，對LED器件來說，溫升嚴(yán)重影響LED的性能，造成光衰、色溫變化、壽命降低等不利情況，經(jīng)國內(nèi)外的大量研究表明，LED發(fā)光芯片的結(jié)溫和LED的出光量成反比［3］。因此要想保證LED正常工作，需要及時(shí)將LED工作時(shí)產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)出去，散熱設(shè)計(jì)對LED光源的性能起著至關(guān)重要的作用，良好的散熱設(shè)計(jì)可以大幅度地延長LED的使用壽命。對于大功率LED路燈來說，目前多采用的方法有:回路熱管散熱，均溫板加鰭片，加裝電扇強(qiáng)制散熱，自然對流散熱等。

加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱方式系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性低，熱管和回路熱管散熱方式成本高。而路燈在戶外夜間使用、散熱面位于側(cè)上面以及體型受限制較小等有利于空氣自然對流散熱的優(yōu)點(diǎn)，LED路燈盡可能選擇自然對流散熱方式。

為了提高散熱效果，常采用導(dǎo)熱性能好的材料作散熱器。在常見的金屬中，銀的導(dǎo)熱率最高，但是它的價(jià)格不菲?，F(xiàn)在常用的散熱器材料主要是鋁和銅。鋁價(jià)格便宜，密度小，好加工，導(dǎo)熱性能良好。相比較而言，銅的導(dǎo)熱率比鋁的大，許多散熱能力超強(qiáng)的散熱器均采用純銅打造。但銅材料價(jià)格昂貴、易氧化，加工成本高。為了降低成本LED路燈還是建議采用鋁。

大功率LED作為光源固定于燈具上，LED的熱量如果不能被及時(shí)有效地傳導(dǎo)至外殼表面，則聚集的熱量會使燈具散熱板的溫度急劇上升，導(dǎo)致LED溫度升高，增加了LED失效的幾率，造成LED光衰加劇，壽命縮短。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很低，在安裝LED時(shí)，要保證接觸面平整，接觸良好，并且在LED基板底部或散熱片表面均勻、適量地涂敷一層導(dǎo)熱材料。通常選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱硅膠等材料。試驗(yàn)表明，LED燈具系統(tǒng)上加入導(dǎo)熱涂層能提高LED系統(tǒng)的散熱效率，導(dǎo)熱系數(shù)越高的材料，散熱效果越好［4］。

3 LED散熱設(shè)計(jì)

根據(jù)要求其結(jié)溫最高溫度控制在125℃，使其在環(huán)境溫度最高為45℃的情況下能正常。其中LED自身熱阻 Rj－g為 12℃ /W，導(dǎo)熱硅脂熱阻為8℃/W，LED安裝于3cm×3cm的金屬線路板上，熱阻為45℃/W［5］，當(dāng) LED 總功率為1.17 W(電流為350mA，電壓為 3.35V)時(shí)，發(fā)熱功率為0.82W(按70%發(fā)熱計(jì)算)，計(jì)算得散熱器的最大熱阻約為15℃/W。為此設(shè)計(jì)了3種符合要求的散熱器，如圖1所示。散熱器寬均為 25mm，基座厚度為4mm，翅片高度定義為30mm。

圖1 三種散熱器圖形Fig.1 Three kinds of radiator

表1 三種散熱器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Three radiator experimental data

從表1中可以看出，B型的熱阻要比A型的熱阻低，C型的熱阻要比B型的熱阻低，可見T型翅片的熱阻比矩形翅片的熱阻小，三角形翅片的熱阻比T型翅片的熱阻低。還可以看出散熱器的熱阻與其散熱面積有關(guān)，相同條件下散熱面積越大，熱阻越低。為了加大散熱面積可增加肋板數(shù)和肋板高度，也可以在翅片上加設(shè)鋸齒狀或半圓形波浪紋。

為了研究肋板高度與熱阻的關(guān)系，我們在其他條件和散熱器 B相同的條件下，只改變肋板高度，分析其熱阻變化，結(jié)果見表2。

表2 不同翅片高度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 The experimental data of the different fin height

當(dāng)翅片高度小于30mm時(shí)，其熱阻隨翅片高度的增加線形下降，翅片高度超過30mm時(shí)其熱阻隨翅片高度的增加緩慢下降。因此在設(shè)計(jì)散熱器時(shí)，要合理設(shè)計(jì)翅片高度，并不是翅片越高散熱效果越好。綜合分析重量、散熱面積和熱阻等諸多因素的作用，我們可以看出當(dāng)翅片高度設(shè)計(jì)為30mm時(shí)是比較理想的結(jié)果。同時(shí)上面的設(shè)計(jì)與這里的分析結(jié)果也是一致的。

4 LED路燈的可靠性研究

針對自主研發(fā)的一款LED路燈，進(jìn)行老化試驗(yàn)，研究LED光源在路燈照明應(yīng)用中的可靠性。對燈具條進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)，操作簡單方便，節(jié)約成本，將其與同一廠家的LED光源 (配有良好散熱裝置)同時(shí)老化，對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而分析燈具條的散熱效果能否保證LED光源的高可靠性。選用某公司封裝的1W白光LED作為試驗(yàn)樣本，樣本數(shù)量為10顆，編號為1～10，這十顆LED經(jīng)過初始測試，具有較好的一致性，可以滿足試驗(yàn)的要求。1、2、3、4號LED，四顆串聯(lián)后組裝成LED燈具條;5、6、7、8號LED，四顆串聯(lián)后安裝于良好散熱板上，9、10號LED做為校正測試儀器備用。試驗(yàn)前，分別對1—2—3—4號LED串和5—6—7—8號LED串進(jìn)行光色電測試，老化試驗(yàn)為常溫電應(yīng)力試驗(yàn)，將兩組LED串聯(lián)裝置同時(shí)通入700mA直流進(jìn)行老化。測試結(jié)果如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 光通量隨老化時(shí)間變化趨勢Fig.2 The trend of Luminous flux with aging time

圖3 色溫隨老化時(shí)間變化趨勢Fig.3 The trend of Color temperature with aging time

圖4 發(fā)光效率隨老化時(shí)間變化趨勢Fig.4 The trend of the luminous efficiency with aging time

以上試驗(yàn)證明，此款LED路燈的散熱板以及安裝方式能夠滿足LED光源的散熱要求，可以保證LED長期穩(wěn)定的工作。需要注意的是燈具條的設(shè)計(jì)以及反光碗的使用，要優(yōu)化燈具結(jié)構(gòu)，盡量減少因燈具的光吸收造成的能量損耗，提高燈具效率。

5 總結(jié)

首先分析了翅片高度、散熱片面積對LED性能的影響，緊接著根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件，設(shè)計(jì)了針對LED路燈的老化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:初期光通量的減少主要是因?yàn)闊艟咧袑獾奈栈虿糠植考豕庠斐傻?，而后期光衰則主要是因?yàn)榇蠊β蔐ED光源的自身衰減，這個衰減程度是與光源LED的產(chǎn)品性能有直接關(guān)系的，因此，設(shè)計(jì)LED路燈要選擇可靠性高的大功率LED光源，并且在設(shè)計(jì)燈具時(shí)，要盡量減少擋光、雜散光等現(xiàn)象，在LED光源與燈具散熱板接觸處，使用導(dǎo)熱系數(shù)高的材料。

［1］施克孝.LED燈具的散熱——LED知識 (八).演藝科技燈光技術(shù)，2011，12:13～14.

［2］谷青.發(fā)光二極管LED道路照明是否已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)——介紹國外的看法.光源與照明，2008，4:12～13.

［3］韓建偉，劉行仁.節(jié)能LED路燈.中國照明電器，2009，(1):17～21.

［4］Winston R.，Minano J C.，Benitez P.et al.Nonimaging optics［M］.Burlington:ElsevierAcademic Press，2005.

［5］GeLcore J P.Thermal challenges facing new generation light emitting diodes(LEDs)for lighting applications.Proc.of SPIE，2002，4776:215.