陳 飛，李 虎，代高林，陳 亮

（深圳創(chuàng)碩光業(yè)科技有限公司，廣東深圳 518000）

LED 在照明領(lǐng)域的使用越來(lái)越廣泛，由于LED照明產(chǎn)品本身發(fā)熱量較大，且屬于溫度敏感元件，溫度升高會(huì)影響LED 照明產(chǎn)品的光效、光色（波長(zhǎng)）、色溫等關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)以及工作可靠性，因此，散熱設(shè)計(jì)是LED 照明產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 熱仿真模型

文章采用的熱物理環(huán)境模擬仿真的實(shí)驗(yàn)條件模型如圖1所示。熱環(huán)境實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜅l件如下：環(huán)境溫度25.0℃；熱輻射背景溫度25.0℃；LED 熱源模型用優(yōu)質(zhì)紫銅[導(dǎo)熱系數(shù)：398W/（m·K）]圓柱模塊替代；LED 基座為鋁材，外圓柱面也必須與散熱器內(nèi)圓柱面充分貼合；另外，圖1（f）和（g）產(chǎn)品蓋體材料全部設(shè)計(jì)為硬質(zhì)塑料，導(dǎo)熱系數(shù)均為0.3W/（m·K）。

圖1 散熱器模型

2 環(huán)境溫度對(duì)戶外大功率LED照明產(chǎn)品散熱能力的影響

在熱模擬仿真模型中改變材料發(fā)射率和散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱模擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：

（1）當(dāng)產(chǎn)品的材料發(fā)射率本身為0時(shí)，就不需要考慮熱輻射對(duì)LED 照明產(chǎn)品散熱產(chǎn)生的影響。隨著室外環(huán)境溫度持續(xù)地升高，室內(nèi)外空氣溫度的分布性質(zhì)都會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，從而引起地表熱對(duì)流，降低了室外傳熱系數(shù)。目前對(duì)較高功率下的白光LED 的光電轉(zhuǎn)換效率（Wall-Plug-Efficiency WPE）的估算方法以及準(zhǔn)確度，還沒(méi)有一個(gè)較為良好且高效率的方法可以對(duì)其進(jìn)行估算。目前僅有大約15%～25%的光輸入功率會(huì)轉(zhuǎn)化成為能源，而其余的則可能會(huì)被轉(zhuǎn)換成光熱能。由于LED 晶片的尺寸很薄，因此，會(huì)使高功率的LED 芯片的每個(gè)晶片在單位面積上產(chǎn)生的發(fā)熱量（發(fā)熱密度）變得較高，這也使得LED 芯片的每個(gè)晶片的內(nèi)部交界面上的溫度值（JunCtion Temperature）提升較大，較容易造成晶片的過(guò)熱老化問(wèn)題，使得LED 整體的亮度有得降低，其中以紅光模組的發(fā)光亮度衰減得最為明顯。

（2）照明產(chǎn)品外表面輻射換熱量隨著環(huán)境溫度的升高而逐漸增大，使輻射的換熱能力加強(qiáng)，輻射換熱量占熱源總熱量的比例增加，如圖2所示。

圖2 輻射換熱量占熱源總熱量的比例

隨著環(huán)境溫度的升高，輻射換熱量會(huì)逐漸增加，這是因?yàn)檩椛鋼Q熱量和熱源及冷源絕對(duì)溫度的4次方的差值成正比。例如，一個(gè)物體表面積為A1(m2），表面溫度為T(mén)1（K）時(shí)，表面的熱發(fā)射率為ε1，放置在一個(gè)表面絕對(duì)溫度為T(mén)2（K）的空間中，則該物體和這個(gè)空間表面之間的輻射換熱量Q（K）可由式（1）計(jì)算而得。

式（1）中，ε1σA1沒(méi)有變化，若T1和T2同時(shí)增加，那么Q必須增加。所以熱平衡的結(jié)果就是輻射換熱量Q增加，T1和T2的差值△T減小。隨著環(huán)境溫度的升高，△T減小得越明顯。同時(shí)，由于輻射換熱量的增強(qiáng)，導(dǎo)致了△T減小，因此光源產(chǎn)品表面對(duì)流傳熱量將會(huì)減少。

3 環(huán)境風(fēng)速對(duì)LED照明產(chǎn)品散熱的影響

散熱器1的熱仿真模型如圖3所示，環(huán)境模型中的風(fēng)向依次變化為水平向右、豎直向上和豎直向下，風(fēng)速的變化為0～1.50 m/s 時(shí)。從圖3 可以看出，風(fēng)速對(duì)LED 照明產(chǎn)品的散熱性能影響較大。因此，對(duì)LED 照明產(chǎn)品進(jìn)行熱測(cè)試時(shí)，環(huán)境風(fēng)速最好控制在最大風(fēng)速為0.1m/s 內(nèi)，特別是在垂直方向，盡量減少環(huán)境風(fēng)速的影響。

圖3 不同的環(huán)境風(fēng)向和風(fēng)速對(duì)LED照明產(chǎn)品散熱的影響

從圖3中還可以看出，LED 照明產(chǎn)品的溫度變化速度隨著風(fēng)速的增加而變得逐漸放緩。其根本原因是隨著風(fēng)速的增加，對(duì)流及輻射的復(fù)合換熱的熱阻逐漸降低，此時(shí)LED 照明產(chǎn)品的熱阻主要是由LED 光源到照明產(chǎn)品的外表面之間的導(dǎo)熱熱阻決定的，因此，在這個(gè)時(shí)候再增大風(fēng)速，對(duì)提高散熱的效果已然不明顯。反之，如果自然對(duì)流冷卻的LED 照亮產(chǎn)品外表面對(duì)流與熱輻射復(fù)合換熱時(shí)的熱阻較大，而LED 光源到照明產(chǎn)品的外表面之間的導(dǎo)熱熱阻較小時(shí)，此時(shí)，增加照明產(chǎn)品導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱性對(duì)LED 照明產(chǎn)品的散熱效果的提升也不會(huì)很明顯。

4 其他因素對(duì)散熱影響

與傳統(tǒng)電子產(chǎn)品密封不同，大多數(shù)的電子產(chǎn)品上都設(shè)置有散熱通氣口，所以大多數(shù)的電子產(chǎn)品可以直接通過(guò)與空氣對(duì)流傳熱，達(dá)到散熱的目的。但LED照明產(chǎn)品采用的密封技術(shù)，限制了自身的散熱通力。在照明領(lǐng)域中有些散熱部件，例如接頭等，必須嚴(yán)格符合傳統(tǒng)燈具的尺寸規(guī)格（如MR16）和重量。因此，散熱模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就會(huì)進(jìn)一步受到限制。一些新技術(shù)也開(kāi)始應(yīng)用于LED 照明產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，如Par38，采用獨(dú)特的導(dǎo)熱鋁散熱材料與散熱設(shè)計(jì)，確保了燈具的高散熱效果，相較于傳統(tǒng)的LED 照明產(chǎn)品，Par38可以節(jié)能高達(dá)60%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用熱仿真的方法分析了環(huán)境溫度及風(fēng)速對(duì)LED 照明產(chǎn)品散熱效果的影響。根據(jù)結(jié)果可知，一般情況下，對(duì)于自然對(duì)流冷卻的LED 照明產(chǎn)品，其熱測(cè)試可以在某一環(huán)境溫度（如23.0℃ ）下進(jìn)行，產(chǎn)品在其他環(huán)境溫度（如 45.0℃，用于模擬產(chǎn)品實(shí)際使用 環(huán)境的溫度）下各點(diǎn)的溫度可以通過(guò)扣除測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度與其他環(huán)境溫度的差值來(lái)近似計(jì)算。但自然對(duì)流冷卻的LED 照明產(chǎn)品的熱測(cè)試最好在無(wú)對(duì)流風(fēng)的環(huán)境中進(jìn)行，或者在無(wú)對(duì)流風(fēng)試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行，以減小環(huán)境風(fēng)速對(duì)其散熱的影響。由于任何結(jié)果都有產(chǎn)生的原因，所以分析原因是改善結(jié)果的根本途徑。熱量傳遞只有 3 種方式，理論上較為簡(jiǎn)單，但是3 種傳熱方式交叉在一起，分析起來(lái)又有困難。借助熱仿真軟件，將以不同方式傳遞的熱量分開(kāi)來(lái)進(jìn)行分析，是電子產(chǎn)品熱分析的一個(gè)重要方法，也是電子產(chǎn)品熱仿真相對(duì)于熱測(cè)試的一個(gè)很大優(yōu)勢(shì)。