浅析LED灯具的散热设计

摘 要：目前市场上最流行的灯具无疑是LED灯具，LED灯具不仅使用光效好，使用寿命长，更由于改变了传统的金属汞的使用，实现了节能环保的目标。由于这些优势，LED灯具得到广泛的应用，而所有的电器都不可避免的要面对一个技术挑战――散热设计。就LED灯具的散热设计进行简单的分析。

关键词：LED灯具 节能降耗 散热 使用寿命

中图分类号：TN312.8 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）008-122-02

LED即是物理学上所称的发光二极管，最早诞生于20世纪60年代，最初的时候是一种单色光源。经过70年的发展，LED技术已处于一个比较成熟的阶段。LED的产品也更加丰富多彩，典型的应用就是LED背光模块和LED照明等大功率应用。由于LED具有效率高、寿命长、省能源、不易破损、环保无汞等传统光源无法比拟的优势。因此，LED灯具被誉为21世纪的照明新光源，世界各国纷纷对LED灯具进行不断的研究改进和推广。因而它被广泛应用于我们的生活之中。而电器都有一个通病，就是其散热的性能，电器在工作的时候都会产生热量。如果无法将这些热量有效的排出去，就会影响其工作效率，严重的甚至会因为高温而烧毁电器。LED灯具的散热是一个技术上的瓶颈问题，研究表明，目前大功率LED灯具只有20%能转化成光，而剩下的80%都转化为热量了，如果不能有效的将这些热量排出去，就会降低灯具的发光效率，缩短LED灯具预期的使用寿命，严重的甚至损坏灯具，让灯具“当场丧命”。

1 LED灯具的散热设计

LED的散热效果直接影响着灯具的使用寿命。据美国的相关研究表明，温度每下降10℃，则灯具工作的发光效率可以提升3%-8%，其使用寿命也将延长2倍。热量的影响就使得其生产厂商在研究LED灯具的时候一直把LED灯具的散热作为一个研究重点。LED灯具的散热效果也主要受两方面的影响，第一个是本身材质的影响，另一方面就是灯具的散热设计。LED封装的散热设计主要分为一次散热设计和二次散热设计。

（1）LED灯具的一次散热。一次散热设计一般是由生产工艺确定，它先由LED的一次散热设计芯片和散装的散热，然后由生产工艺阶段确定两者的设计，这样就可以初步的实现散热和导热效果。

（2）LED灯具的封装。一次散热设计之后便是对灯具进行封装，灯具的封装是一项比较复杂的工艺，需要对焊点、绝缘层、金线、健合层、封装透镜、LED芯片、电极、内部沉热各个方面基础知识及封装的结构有着熟练的掌握。封装透镜材料几乎是不导热的，其作用是将芯片的光输出进行分配和取出，芯片的热量 主要由内部热沉导出后再通过外部散热器进行散热，因此LED封装的的一次散热设计就是针对其使用的要求和条件，通过内部热沉的科学设计将芯片产生的高热有效地导出并传导给散热器。

（3）LED灯具的二次散热。有些LED灯具尤其是一些已经商品化的大功率LED，它们在一次散热设计的时候便已将芯片固定好，并且再使用的时候不能再修改，而其散热效果并不好。这个时候就需要结合实际情况进行二次散热设计。二次散热的设计流程是：先计算热阻和结温，对比计算结果是否满足散热要求，如果满足散热要求则直接输出设计结果；如果不满足散热要求则要检查问题的原因，最主要的是检查设计散热器是否满足散热要求，然后对其进行优化设计，最后再输出设计结果。分析LED二次散热设计的热阻网络流程可以表述为：LED的内部热沉通过粘结层将热量传递给金属线路板，再由线路板通过粘结层传递给散热器，散热器将热量通过热阻。

（4）LED灯具设计的芯片基板选择。通过对LED散热的方案和机理的研究分析我们可以知道，在LED灯具中影响散热的因素主要是芯片基板、散热基板（系统电路板）、均温板、粘结层和散热装置等。目前LED灯具使用的芯片基板主要是陶瓷基板，因为这种基板的散热性能比较良好；同时，它还具有膨胀系数低、耐热、耐潮、绝缘等特性，还能够减低因热应力而产生的变型。

2 LED灯具的其他散热方式

（1）风扇散热，风扇散热就是利用小型风扇产生空气对流驱散热量，这也是大多数电器设备常用的散热方式，如计算机CPU风扇、冷气、汽车等等。

（2）电磁喷流散热，这种方式是在电器结构中采用一种薄膜空腔体，利用电磁驱动产生动力而使薄膜上下震动，最终产生空气对流，从而促使空气对流，其原理同风扇类似。

（3）热量交换散热，这种方式一般是采用散热鳍片及电路板等元件与空气接触的方式，当电器工作产生热量的时候，利用这些热气与空气密度的差异实现热量的交换，最终达到散热的目的。

虽然目前LED灯具有很多种散热方式，但它的散热原理主要是热传导和热对流两种，有很多厂家也在不断的研究新的散热方式，并有一些厂商宣称其LED灯具可以利用热辐射进行散热，其原理是利用陶瓷散热基板而采用远红外线型式将热辐射散出，可以实现远距离的传热，并宣称可用于取代LED芯片基板后端的导热金属（散热鳍片、金属灯壳），达到成功散热和减轻灯具重量的成效。虽然这一技术还存在诸多可疑之处，但是这种设计不得不说是一种散热设计的一种新的突破，如果这一设计技术能够实现，必将使LED灯具的散热技术实现一个新的突破。

3 LED灯具散热器的问题

散热设计是众多LED灯具厂商一直在不断探索改进的项目，目前对于散热器的设计也是各式各样。总体来讲，LED灯具的散热设计比较良好。然而还存在着很多细节方面的问题。比如很多投入市场的LED灯具在散热设计的过程中忽视了热传导的均温性，即散热鳍片的温度分布严重不均匀，这就局限了散热器发挥散热作用的能力，不仅损耗了电能，散热效果也达不到预期的效果，甚至无法发挥散热效果。还有些散热设计错误，比如说LED路灯通常装设于8～12米的杆高，这个高度就要求了LED路灯设计必须将重心设计好，而很多散热器在设计的时候只顾着散热效率，忽视了其重心位置。一旦重心位置设计不佳，投入使用后的路灯如果遭遇了大风或者地震就可能导致意外情况发生。

4结束语

LED灯具的散热效果直接关联着灯具工作时的温度，而其工作时的温度又严重影响着LED灯具的发光效果和使用寿命，所以说，LED灯具的散热设计在LED灯具的设计中尤为重要，尤其是对那些大功率LED照明灯具。在LED灯具的散热设计中要一定要严格控制各个环节，从LED芯片封装的一次、二次散热人手，到 LED灯具所采取的散热设计方案为止，对每一项设计环节研究分析，从材质的选择和设计两个方面综合提高LED灯具的散热效果。这不仅是LED灯具厂商提高产品的竞争力，在竞争激烈的市场下脱颖而出的有效手段。同时更是在为人们改善生活质量，并促进我国节能环保型社会发展。

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