隨著LED(發光二極管)的功率?發光強度和發光效率大幅度提高,LED作為新型照明光源在市場中的份額逐漸提高,給現代社會生活質量的提高帶來了不可估量的影響,正在引發一場全球照明領域的革命?

但是,LED照明產品仍有極大的技術問題亟待解決,如LED的散熱問題就是其中之一?因為LED的發熱量大,并且是溫度敏感器件?LED的溫度升高會影響其壽命?光效?光色(波長)?色溫?光形(配光)?以及正向電壓?色度和電氣參數以及壽命等?所以,散熱設計是LED照明產品開發的關鍵技術之一?

1 LED散熱原理

熱交換的三種基本方式為:熱傳導?對流和熱輻射?通俗的說,熱傳導是將熱量勻化或傳導到指定位置;熱對流是將熱源表面的熱量與介質(常為空氣?水等)發生熱交換,結果使表面的溫度降低;熱輻射是將熱源的熱量通過波的形式(紫外線?可見光線?紅外線等)發散到周圍的空間中?

對流傳熱的基本公式是牛頓冷卻公式:

2 LED散熱途徑

LED芯片是發熱主體?首先LED芯片的熱量通過LED芯片的基片再通過固晶方式傳遞至封裝熱沉(heatsink)上面,然后熱量通過熱沉傳遞至鋁基PCB上,最終鋁基PCB與金屬制(一般為鋁)散熱器結合,將熱量傳遞至燈具外部,到達空氣環境中?一般LED芯片的熱量最終到達空氣中需要經過如下各層材料傳導?

3模擬的產品結構和條件

產品設計結構由LED?鋁基板?導熱硅膠墊和散熱器組成,具體尺寸和結構如圖1,散熱器翅片間距A為可變,基本設計參數如下?

LED:OSRAM OSLON,10PCS,總功率為25W(3.15V×0.8A×10PCS),發熱功率為21.3W(25W×0.8);

鋁基板,基材為鋁,導熱率為200W/m·K;

導熱硅膠墊,厚度0.3mm,導熱率為5W/m·K;

散熱器,材料為AL6063-T5,導熱率為202W/m·K;

LED間距B:25mm×25mm?

4仿真軟件和仿真設計條件

FloEFD是新一代流體動力學分析的革命性工具,全球唯一完全嵌入三維機械CAD環境中高度工程化的通用流體傳熱分析軟件,真正實現了仿真分析流程與設計流程的無縫結合,成為從事于流動?換熱相關產品開發/設計工程師的高效工具?計算3D模型如圖2,模擬參數設計如表1?

5不同間距的結果對比分析

散熱器翅片間距為10mm的模擬結果如圖3?

6結論

1) 散熱器翅片間距越小,散熱器溫差越低;散熱器翅片間距越大,散熱器溫差越高?

2) 散熱器底板厚度對散熱器的熱容量及散熱器熱阻有影響,太薄熱容量太小,太厚熱阻反而增加,底板厚度的最一般為3mm-6mm為最佳,本文取5mm?

3) 自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱,在散熱翅片表面增加波紋不會對自然對流效果產生太大的影響,所以建議散熱翅片表面不加波紋齒?

4) 如果翅片間距太小,兩個翅片的熱邊界層易交叉,影響翅片表面的熱對流,根據本文的模擬,一般建議大于6mm;如果散熱器翅片高低于10mm,可按翅片間距≥1.2倍翅片高來確定散熱器的翅片間距?

5)自然對流的散熱器表面一般采用發黑處理,以增大散熱表面的輻射系數,強化輻射換熱?

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