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摘要：散热是LED照明灯具使用的关键，温度上升会使产品的性能降低，进而引起一系列问题。文章首先介绍了LED照明灯具的发光原理、结构及传统LED灯具的散热模式，接着对LED灯具散热设计思路进行了详细分析，指出了存在的问题，给出改善灯具散热设计的方案。
关键词：LED灯具；散热设计；分析
引言
随着世界科技发展程度的日新月异，人类对生活质量及节能要求的不断提高，在家庭照明上发光二极管也就是我们说的LED 照明灯具已普及到每家每户，这主要是LED相对于其它照明设备上，不仅能提供优异的照明效果，而且在节能上面也更胜一层，但凡事都有优缺点，LED灯具的寿命和使用效果都会制约于工作过程中的温度升高，特别是温度超过60度时LED设备的寿命会加剧减少，而目前市场上普遍的LED灯的工作时，只能加所有电能的10-15%转换成光能，其它都会转换成热能，故散热设计及研究是LED照明灯的重要部分。
1、LED灯具的发光原理、结构及传统LED灯具的散热模式
LED全称light emitting diode，翻译成中文即发光二级管。LED
的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，它利用固体半导体芯片作为发光材料。其发光原理是：LED在工作时处于正向导通的状态，通过电子和空穴的复合作用，放出过剩能量而引起光子发射产生可见光，光的强弱与电流有关。
LED灯具的结构主要有灯具壳体、散热模组、LED芯片、折射透镜、电源部件以及其他零件。如下图一所示
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图1 LED结构组成
传统LED散热模式可以分为三部分：①热传导，即从LED核心散热区到基板等其它结构件，该部分主要通过热传导方式进行；②热辐射，即从散热核心区传到空气中的散热，该部分则主要通过热辐射的方式进行；③热对流，从散热核心区的热气区往上流动，然后气压带动冷空气接着不断的流入散热芯片，如此往复，便可形成空气自然对流，该部分则主要通过热对流的方式进行。
2、LED灯具散热设计思路
2.1 散热的重点：就是以最短的路径，最快的方法将最多的热量从散热源带出到设备主体以外，从而降低设备温度。
2.2 影响散热的因素有哪些：
A.散热面积少;
B.空间密闭，无空气流通;
C.结构外罩过厚或结构材质选用不合理;
D.传热介质由于各种外因导致的水锈，污垢层等。
2.3 芯片芯板传热
为了尽可能降低芯片的温度，科研工作人员不断在 LED 的芯片结构和材质上进行了各种改进。从最早用硅材料作为中间介质到用蓝宝石材料最后到用碳化硅作中间介质，其导热性能提高了近 20 倍，但是碳化硅的缺点是使用成本高。目前，很多生产企业从激进型开始转入稳定型，那么成本效率又摆在了更为重要的位置，开始采用硅材料作为中间介质，只不过在中间加一层氮化铝作过渡。伴随着世界科技不断发展，现在主流的LED 芯片基板主要以陶瓷基板和金属基板为主。陶瓷基板因高散热性，低膨胀系数等特性，能够减少因高温而产生的材料变型，同时材料的本身还具有耐热、耐潮、绝缘等优点，所以陶瓷基板成为高功率照明灯用 LED 芯片基板的最常用散热材料。
2.4 系统电路散热
LED 芯片通过焊接与系统电路板或灯条板产生了连接，这样一来由芯片所产生的热能也同时传导给系统电路板或灯条板，系统电路板或灯条板的散热性能也同样重要，目前主流厂商均采用铝基板作为系统电路板或灯条板。
由于芯片芯板式和系统电路板式都只是进行传热，而能够将这些热能最终传到出设备之外，就要靠结构性系统散热，目前主流散热系统可分为四种型式：风扇强制散热、磁力喷流散热、自然对流散热和回路热管散热。由于使用环境、产品综合发热量大小、生产的成本等各方面问题，选择适当的散热方式，尤为重要。下面将进行分别介绍：
（1）自然对流散热
散热过程是利用空气的流动（对流）将热量带走，传递到空气中，达到散热作用。LED 的灯具散热器表面积越大，它与空气接触的面积就越大，通过对流作用空气携带设备散发的热量，从而达到散热的效果。LED灯具最常见的是增加散热鳍片，鳍片的散热表面积越大，对流效果越好，但鳍片数量也不宜过多，因为会增加 LED灯具的整体重量和成本，会增加设备的站立的不稳定性。
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（2）回路热管散热
依靠封闭回路管内的工作液体在蒸发器与冷凝器之间不断的热交换从而达到传递热量。回路管路两端一边置于发热源一边置于散热器，回路管的内部则充入适当的液体，管壁布置由毛细多孔材料构成。当灯具开始工作其产生热量时，内部热源端毛细管中的液体迅速蒸发，气化后的带热体在微小的压力差下流向设备外端，并且在自然对流或强制对流作用下释放出热量，再利用毛细管将冷凝液体带回蒸发器，如此往复循环，达成热量的交换。LED 设备（灯具等）所产生的热量可快速传递出灯具的散热器或外壳。
（3）风扇强制散热
利用马达风扇让空气间形成对流，将 LED 设备(灯具等)中所产生的热量带出本体，从而快速有效的将热量强制排出。这种方式由于需占用较大空间，且需要增加成本，一般通常使用在精密散热量大的设备，通常不会用到室内照明或是读书照明的场合。
（4）电磁喷流散热
这种结构主要是由具有薄膜的中空腔体，其利用电磁或压电驱动器以每秒 100～200 次的频率振荡薄膜，促使薄膜进行上下振荡，随着薄膜的上下位移，空气会流入中空腔体再行喷出，喷出后的气流会带动周边空气产生涡流现象，从而强化空气对流能力。
由于各种散热的效率和成本不同，LED 照明灯生产企业可以通过设计将以上散热方式通过合理结合，以期达到最佳散热能力，又能有效控制设备（灯具等）的生产成本。
3、 LED 灯具散热设计存在的问题
部分市售 LED 灯具的散热设计容易忽略掉一些细节，例如忽视热传导的均温性，即散热鳍片的温度分布严重不均匀，导致其中一部分的鳍片对散热作用有限，甚至没有发挥散热效果。有些设计错误
则会带来危险性，尤其是 LED 路灯通常装设于8～12 米的杆高，如果散热器重心设计不佳，可能导致重量与风阻过大，危险性增加，当遇到自然性台风或地震将有可能导致严重意外。
4、改善LED灯具散热设计的方案
想要从根本上搞清灯具最优化的散热方式，就需要了解冷热交换 的规律，通过一代代物理学家、化学学家的不断研究和总结，冷热气或冷热流体的规律有二，第一，热气密度轻于冷气，因此热气会往上窜动，相应的冷气会往下，从而形成一个空气对流的过程；第二，热量会在固体或液体中由热量高的区域传导到低的区域，而且温差越大传的越快。
如何改善 LED 照明灯具的散热设计是很多生产厂家一直在探讨的问题，可以从以下几方面改进：
①提高散热片的散热效果，改进散热片与发热物体接触部分的吸热底和散热片的设计，要具备吸热快、热阻小、散热快的性能；
②散热材料应选择热传导系数高的导热材料，如铝合金材料的选取，通过调整配方材料的成分与比例，可以获得各种不同的特性；
③对封装工艺进行优化，使用集成化封装方式，不但能降低成本还能提高散热效果；
④设备的结构设计时，充分考虑空气对流的合理性，出风口尽量设置的高一些，进风口与出风口尽快采用最短路径且风道中过一些干扰物体。
5、 结束语
发光二极管照明技术产品将会以更加迅猛的速度，新技术将替代老技术，新产品将占领市场，公司组织不仅要注重市场开发人员，更要注重研发人员及工艺人员，以保证自身产品的质量水平、工艺先进性，做好LED 照明灯的散热设计一定要经得起时间和环境考验，值得我们深入研究，从而提高LED 照明灯整体质量，造福全人类。
参考文献:
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[3]LED照明灯具的应用与节能效果分析[J]. 俞炎锋.宁波节能.2013(05)
[4]家庭照明灯具的选购[J]. 孔令文.家庭电子.2005(22)
论文作者:李龙
论文发表刊物:《防护工程》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/14
标签：灯具论文; 热量论文; 芯片论文; 材料论文; 空气论文; 设备论文; 结构论文; 《防护工程》2018年第23期论文;