一种高功率LED射灯的散热设计与实验研究

　　0 引言

　　LED技术的进步为LED射灯的设计提供了新的机遇，大功率白光LED逐渐取代传统卤素灯，成为射灯新型光源。但是LED光电转化效率低，近80%左右的能量转化为热能，使LED射灯严重发热，而LED射灯热设计不当，将导致LED芯片结温过高，器件寿命缩短，光效降低。

　　LED射灯结构复杂，体积小，难以用实验方法测量LED芯片温度场分布，主要通过定性比较散热器散热能力好坏的方法来进行散热器的设计。余彬海等人提出了用“热阻网络模型”对LED器件进行定量计算。该方法能计算出整个灯具系统的散热能力，但不能定量计算散热器对流面积与LED功耗之间的关系，且对于复杂模型难以简化处理，计算精度低。另外，对于射灯散热器设计有重要意义的定量关系，如内通道传导能力与外通道对流能力之间的定量匹配、功率与对流面积之间定量匹配等问题的研究，目前尚无公开的文献。

　　本论文以一种MRl6LED射灯为模型，采用ANSYS有限元软件分析LED射灯中各组成部分对整个系统散热性能的影响，着重研究功率与对流面积之间的定量关系。目前，国内外LED灯具的散热处理技术，散热器翅片温度基本定在60℃左右。热仿真分析表明，要保持MRl6射灯散热器表面温度在60℃左右，现有散热器只能满足2.5W的LED射灯，该定量分析为散热器生产提供现实意义的指导。

　　1 有限元理论模型和实体模型的建立

　　按照传热理论，具有内热源的MRl6LED射灯中温度场的变化满足

　　式中：如Kxx，Kyy,Kzz分别是模型在x，y，z方向上的导热系数;q”为内热源生热率;ρ为密度;c为比热容;T为温度。将传热微分方程转化为等效的积分形式

　　式中：Ts，Ts分别为散热器表面温度和空气温度；h为空气与散热器对流系数；V为单元体积；；S2为热流边界；S3为对流面积。

　　LED的结温一般不高于125℃，热量主要以传导和对流形式散出，忽略辐射散热。散热器表面根据牛顿冷却方程与外界空气发生热对流

　　式中q为垂直于散热器表面的热流。LED射灯系统还满足傅里叶定律

　　式中：λ为传热系数;x为热传导距离。

　　将式(1)，(4)按有限元法进行离散后得

　　[C][T’]+[K][T]={Q}                (5)

　　式中：[C]为比热矩阵;[T’]为系统增加的内能矩阵;[K]为传导矩阵;[T]为节点温度矩阵;[Q]为节点热流矩阵。这里仅讨论稳态传热，即系统的净热流量为零，则式(5)简化为

　　[K][T]={Q}                           (6)

　　式(6)即为有限元法求解稳态温度场的基本方程，ANSYS通过求解传导矩阵[K]来获得节点温度解[T]。

　　MRl6型LED射灯其结构如图1所示(包括LED光源，导热胶和散热器)，主要部件尺寸见表1。

　　表1模型中材料的导热系数(A)和模型尺寸

　　图IMRl6 LED射灯三维实体模型

　　将PROE里面建立的三维实体模型导入ANSYS软件，由于整个模型是由许多B样条曲线组成的，不适宜用映射网格划分，在此采用自由网格划分法建立MRl6LED射灯有限元模型;热源处温度梯度较大，网格较密，在翅片等温度梯度较小处网格较疏。

　　芯片的输入功耗为3.5W，光电转换效率为20%，室温3l℃。将大小为1.4X1010W·m-3的生热率载荷施加在芯片实体上，在散热器表面施加自然对流，忽略其他表面的空气对流。为了简化模型，不考虑封装过程中各层之间的附加接触热阻，各个材料的导热系数见表1。

　　2 对流系数的确定

　　为通过实验确定对流系数，对MRl6LED射灯进行温度测试，测点分别为芯片Cu块基板测点集1、散热器基座测点集2以及散热器翅片测点集3(如图1所示)。给定工作电流为350mA，电压10V，温度测试时间为2h，每隔5s记录一次数据，并对测点1、测点2以及测点3数据进行处理。

　　实验结果表明，射灯点亮25min后形成热平衡，此时各测点温度分别为铜块基板测点78.6℃、散热器基座测点77.9℃、散热器翅片测点75.2℃。

　　设自然对流换热系数为5w/(㎡·℃)，利用ANSYS进行有限元计算，得出稳态温度场分布(图2)，可知射灯最高温度为79.4℃，测点3处温度为73.6℃。根据散热器翅片测点的温度不断地调整散热器与空气的换热系数，当换热系数等于4.6W/(㎡·℃)时，计算出的散热器底座温度与实验中测试的结果一致，该换热系数为当时情况下空气与散热器的对流换热系数。

　　图2 MR16 LED射灯温度场分布

　　3 仿真结果及数据分析

　　MR16 LED射灯散热器优化设计涉及到的变量有热流功率(P)、散热器基座厚度(d)、集成芯片间距(△d)、对流面积(s)，通过改变这些可变量来优化散热器结构。以散热器翅片温度达到60℃为指标，确定目前该散热器能达到的最大散热功率，并在其他影响因素都不变的情况下，分析了灯具各个部件对该射灯整个系统散热能力的影响，具体模拟分析结果如表2所示。

　　表2散热器的优化设计及分析结果

　　从表2可见，改变基板厚度，基板与散热器之间导热胶的导热系数及芯片间距，热传导扩散热阻相差很小，对改善MRl6 LED射灯的散热效果不理想，散热器对流面积和芯片输入功率是影响散热效果的最主要因素。基板厚度存在最佳值;散热器与基板之间的导热胶要根据实际情况选取，以节省灯具成本。

　　图3(a)和(b)分别是根据表2中散热器对流面积和芯片输入功率对射灯散热效果的影响得到曲线图。

　　从图3(a)可见，增大散热器与空气接触表面积，LED结温骤降。当对流面积等于0.0230m㎡时，散热器翅片最低温度在60℃左右，整个灯具的温度梯度很小，充分发挥了该散热器的最佳性能。经计算可知，在l0V，350mA驱动下，要保证散热器翅片表面温度在60℃左右，对流面积必须达到0.0233㎡以上。可见，输入功率为3.5w时，用该散热器对MRl6 LED射灯进行散热失败的主要原因在于散热器对流面积太小。

　　从图3(b)可见，灯具输入功率为1.68w时，散热器翅片温度为51.8℃，LED结温为54.6℃，温度梯度很小，灯具满足散热要求，但该散热器并未充分发挥最佳性能。输入功率为2.43W时，散热器翅片温度为60.9℃，芯片温度为65℃，灯具满足散热要求的同时，也发挥了该散热器的最佳性能。因此，当灯具输入功率达到2.5W左右时，现有散热器发挥其最佳性能。

　　图3主要影响阂素对射灯散热性能的影响曲线图

　　4 结论

　　通过对MR16 LED射灯的有限元模拟计算，结果表明，影响该散热器散热能力的主要因数是与空气接触面积大小，而芯片间距、基板厚度、基板和散热器接触热阻起次要作用。进一步分析发现，要发挥现有散热器的最佳散热性能，输入功率必须要在2.5W左右，为该结构散热器的进一步应用奠定了基础，对高功率LED灯具生产具有重要的指导意义。

　　改善大功率LED灯具散热能力可以通过多方面实现，仅结构散热来说，散热器对流面积及导热热阻将是两个考虑的大方向，必要时，也要考虑扩散热阻。

编辑：Cedar