陳彪彪

（廣東永和建設(shè)集團(tuán)有限公司 廣東廣州 510006）

作為新一代的照明光源，大功率發(fā)光二極管LED具有節(jié)能、環(huán)保、發(fā)光效率高、響應(yīng)速度快，壽命長等突出優(yōu)點(diǎn)，但LED的發(fā)光效率約為20%，剩下的80%的能量都轉(zhuǎn)換成熱量，熱量使大功率LED的溫度上升，導(dǎo)致工作電壓減小，光強(qiáng)減小，光波長變長，嚴(yán)重影響LED的可靠性與使用壽命[1～2]。

LED燈具一般由多顆點(diǎn)光源組成，為了保證器件正常工作，對燈具散熱管理很重要，良好的散熱設(shè)計是燈具質(zhì)量及可靠性的保障。本文介紹了LED燈具的基本特點(diǎn)；從熱力學(xué)的角度，簡單分析了LED熱傳導(dǎo)的過程，熱對流與熱輻射機(jī)理；探討了影響LED燈具可靠性的因素。

1 關(guān)于LED燈具

LED燈具的關(guān)鍵技術(shù)包括LED光源、驅(qū)動電源、電路結(jié)構(gòu)、散熱管理和配光，簡單地說，就是光（透鏡的配光）、色（光的品質(zhì)）、電（電路設(shè)計）、熱（散熱設(shè)計）四部分，而把這四大功能相結(jié)合的就是結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

LED燈具通常由不同的部件通過結(jié)構(gòu)設(shè)計拼裝成型，LED光源通過散熱器上的螺絲孔位或彈簧卡扣與燈具外殼連接固定，完成機(jī)械結(jié)構(gòu)連接；能量接口采用連接導(dǎo)線完成電源驅(qū)動器與光源的連通，燈具通電后，半導(dǎo)體發(fā)出的光通過透鏡照射到工作面上。

光源模塊是一個集合配光、散熱及防護(hù)等級功能精心設(shè)計的組合，是燈具的核心部分；在配光方面，采用二次光學(xué)透鏡設(shè)計，可以實現(xiàn)所需要的各種照明效果；在散熱方面，采用模塊化設(shè)計，光源熱分散了，通過優(yōu)化散熱設(shè)計，可以大大降低芯片結(jié)溫，提高照明效率。

2 LED燈具的散熱分析

LED燈具散熱是一個系統(tǒng)工程，本節(jié)以LED光源模塊為分析對象，從熱力學(xué)的角度，分析LED的熱傳導(dǎo)過程；在整個燈具散熱時，分析了熱對流與熱輻射機(jī)理。

2.1 LED熱傳導(dǎo)

LED的散熱管理要通過封裝來實現(xiàn)，對于封裝好的LED燈珠，電流流過芯片，發(fā)生電光轉(zhuǎn)換機(jī)理，一部分轉(zhuǎn)換為光能，另一部分轉(zhuǎn)換為熱能。第一層級的熱傳導(dǎo)是封裝，主要是將熱量從芯片導(dǎo)出來，熱量由芯片流經(jīng)封裝支架；第二層級的熱傳導(dǎo)通過LED燈珠的焊接實現(xiàn)，LED燈珠焊接在鋁基線路板上，完成熱量傳遞和LED燈珠間的電器連接；第三層級的熱傳導(dǎo)在鋁基線路板與散熱器之間，散熱器吸收鋁基線路板上的熱量；第四層級的熱量一部分通過熱傳導(dǎo)至燈具外殼，另外一部分將由散熱器散發(fā)到空氣中。如圖1所示為LED從芯片到空氣的熱傳導(dǎo)示意圖。

圖1 LED熱傳遞過程

熱傳導(dǎo)的效率決定于熱流通道的熱阻[3]，必須設(shè)計一個熱流通道將LED芯片所發(fā)出的熱能逐層傳遞到散熱器上。熱流通道上的每個環(huán)節(jié)都存在熱阻，該熱阻影響兩連接端的溫度差，通過減小接觸界面的熱阻，可以大大提高傳熱效率，選擇良好的熱傳導(dǎo)介面材料對散熱的影響至關(guān)重要。

2.2 LED燈具熱對流與熱輻射

自然對流依靠的是由空氣密度差引起的浮升力，流量一般較小，流體內(nèi)溫度梯度也小，因而其換熱效率較低，可通過適當(dāng)設(shè)計燈具散熱片間距可增強(qiáng)肋間氣流的擾動，使換熱系數(shù)增大。自然對流依靠溫差驅(qū)使流體流動和將熱量傳遞給流體，對流速度由溫度場產(chǎn)生并反過來又影響溫度場。熱輻射是以輻射波的形式達(dá)到熱交換的目的，通過我們前期的試驗對比，對散熱器和燈具外殼，適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚恚椛淠芰纱蟠笤鰪?qiáng)。

散熱器與燈具外殼的機(jī)械連接完成熱傳導(dǎo)，整個燈具與空氣間的散熱依賴于對流和輻射；通過優(yōu)化散熱器結(jié)構(gòu)，結(jié)合整個燈具的結(jié)構(gòu)設(shè)計，形成垂直自然對流，大大提高散熱效率。

3 LED路燈的可靠性

LED的壽命長，目前理論上可以達(dá)到10萬h之久，但是由于受到LED驅(qū)動電源和其他零固件壽命的影響，從而使得LED燈具系統(tǒng)的壽命達(dá)不到10萬h。燈具的可靠性可分為光源模塊的可靠性，電源的可靠性，以及燈具材料結(jié)構(gòu)的可靠性[4]。本節(jié)通過散熱管理和防護(hù)等級討論燈具的可靠性。

3.1 散熱管理

LED燈具故障大約70%來自于LED芯片溫度過高，在負(fù)載為額定功率的一半的情況下，溫度每升高20℃，故障率就上升一倍，結(jié)溫的升高會導(dǎo)致器件各方面性能的變化與衰減，散熱管理的最終目標(biāo)是降低LED芯片結(jié)溫，一般來講，結(jié)溫要保持在125℃以下以避免失效，從而延長LED的使用壽命。

對于LED光源模塊，熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在LED芯片與基板、散熱器之間，熱傳導(dǎo)的效率決定于熱流通道的熱阻，必須設(shè)計一個熱流通道將LED芯片所發(fā)出的熱能傳遞到散熱器上。通過前面的分析，通過減小接觸界面的熱阻，可以大大提高傳熱效率。

當(dāng)熱量從芯片傳導(dǎo)出來至散熱器與燈具外殼，散熱器和燈具對空氣的散熱，主要由熱對流和熱輻射機(jī)制決定。通過優(yōu)化散熱器設(shè)計，達(dá)到最大的與空氣對流換熱效率；對散熱器做表面處理，加強(qiáng)輻射散熱。散熱管理的最終目標(biāo)是降低LED芯片結(jié)溫，最終提高LED燈具的可靠性。

3.2 防護(hù)等級

LED芯片十分脆弱，細(xì)微的劃傷就可能傷及電極，從而使得器件失效。如果長期暴露在空氣中的芯片會被氧化。芯片通過封裝，可以保護(hù)發(fā)光芯片不受機(jī)械、熱、潮濕及其他外部影響，達(dá)到一次防護(hù)目的。

對于室內(nèi)燈具，防護(hù)等級要求較低，達(dá)到燈具的安全規(guī)定要求。對于戶外燈具，環(huán)境多變，對LED燈具的耐候性要求高，燈具材料要求防高低溫，抗紫外線輻射，光源模塊的防護(hù)等級高。電源驅(qū)動通過灌注耐寒、耐高溫、導(dǎo)熱性好、絕緣性好、阻燃性好的防水膠，將整個LED燈具的能量接口系統(tǒng)處于高防護(hù)狀態(tài)，保證了長期使用的可靠性。

根據(jù)不同使用場合設(shè)計LED燈具結(jié)構(gòu)，通過良好的散熱管理和高防護(hù)級別，燈具整體的可靠性大大提高，壽命使用延長，最大的獲得新技術(shù)帶來的便利。

[1]劉木清，主編．LED 及其應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013．

[2]張正道．LED 燈具散熱設(shè)計概述[J]．光源與照明，2017，3．

[3]段繡娟，靳斌，等．基于大功率LED燈網(wǎng)的四熱阻自動測量儀[J]．西華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017（6）．

[4]陳彪彪，呂桂紅．白光LED路燈的應(yīng)用及分析[J]．中國科技縱橫，2015，6．