LED灯的热分析解决方案

修雪梅

生迪智慧科技有限公司

摘要：热量传导方式有三种：对流、辐射、传导，热设计/热管理的主要内容是，为产品制定热设计方案，并通过热仿真、热测试等方法预测和验证产品的热设计方案，以及优化和改进产品的热设计，以保证产品长期安全、可靠地运行。本文通过对一款PAR38 LED灯的散热实验研究对比分析各种方法对热量的影响，从而找到此灯热设计解决方案，进而总结散热通道上各影响因素的作用。

关键词：LED灯；热设计；热辐射；散热面积；散热；散热通道；工作环境温度

1 引言

LED灯散热问题一直是照明产品的一个重要参数。一方面LED的发热量大，并且是温度敏感器件。温度升高会影响LED的寿命、光效、光色、色温，以及正向电压、最大输入电流等光度、色度和电气参数及可靠性等性能。另一方面，受人工智能和创新的影响，led智能灯越来越多的出现在市场上，其集成的功能也越来越多，导致led灯的功率越来越高，但驱动板上电子元器件却越来越多，那么对温度敏感的元器件也就越来越多，要求灯工作时内部环境温度越来越低，以满足电子元器件的工作温度要求。

2 热状况初步分析

本文研究对象PAR38智能灯是一款集成视频、对讲、红外感应、PIR检测、光敏检测等多功能的光源型led灯。整灯满载功率为14w，COB功率约7w，而Par38灯尺寸为φ120*150，在如此小的散热空间里实现如此高的功率，对热设计要求非常高。此款智能灯防护等级为IP54，这个防护等级相当于关闭了内部热对流的散热通道，对散热也是不利的。其中PIR电路板上PIR sensor工作温度要求0~75°，因此要求灯工作时，灯内环境温度低于75度。以下附图一简示灯的结构。外壳胶座为塑胶PBT，导热系数只有不到0.2W/(m·K)，上盖透镜也是塑料，COB安装在铝合金散热器上，导热系数虽有96W/(m·K)，但其被包覆在塑胶外壳内，虽然尽量增加其翅片增大散热面积，但热量仍难以散发出去。

附图一

采用热电偶初步点灯（约半小时灯达到热平衡后）测试各点温度如下表：

表一：

单位（℃）
测温点 测试条件	温度箱内环境温度	LED焊脚温度	塑胶外壳温度	铝杯外边沿温度	透镜下空气温度（灯内环境温度）	PIR SENSOR
初测	40	93.6	65.2	79.5	82	83.2

由上表可以分析得出：

1.COB结温计算如下：

根 据公式， 其中Tj为LED结温，Tc为灯珠表面温度，可认为等于LED焊脚温度93.6℃，Rj·c为COB热阻，查规格书得1.5C/W,Pi为灯珠功率7w，计算得Tj=93.6+1.5*7=104.1，这个温度还是挺高的，对整灯lm，寿命都有影响。大功率LED的结温Tj与亮度衰减至70%时的寿命关系见表二。

表二：

查表得出LED的寿命还不到2w小时，与项目实施初规格书2.5wh设计值差距挺大，必须降低led结温。

2. 塑胶外壳和铝杯外边沿温度相差14度，说明铝杯热量没有散出来。

3. PIR sensor本身功率可忽略，因此可视为不发热，因此其温度完全和灯内环境温度一致，而83.2远超其工作温度上限70度，必须降低灯内环境温度。

3 改进方式及温度测试结果分析

对于初始测试值普遍较高，在lm值可接受的范围内降低灯珠输入电流进行初步整改。

对一些介于工作温度临界值的电子元器件，采用软的导热胶泥在焊盘下或硬的陶瓷散热片贴附表面的方法，导热系数一般2-7W/(m·K)，可降低几度温度，使电子元器件工作在安全温度范围内。

在结构上，为改善热设计，分别独立实施了多种方法：①铝杯喷涂石墨烯基高辐射导热涂料，增大铝杯热辐射能力；②在胶座上对应内部铝杯翅片的空隙开槽，增大铝杯与空气的接触面积；③铝杯和胶座之间缝隙用铝箔填充，改善铝杯和胶座之间的热传导；④加大灌胶量，灌胶高度升高，使灯珠铝杯灌封胶之间没有空气，连成一个整体。以下表三是测试结果：

表三：

单位（℃）
测温点 测试条件	温度箱内环境温度	LED焊脚温度	塑胶外壳温度	铝杯外边沿温度	透镜下空气温度（灯内环境温度）	PIR SENSOR
初测	40	93.6	65.2	79.5	82	83.2
降低COB输入电流	40	91.7	65.3	79.7	82.3	80
铝杯喷涂高导热材料	40	88.1	63.5	76.7	79.7	78.1
胶座外表面开槽	40	86.6	68.3	75.3	78.1	76.8
铝杯及胶座之间填充铝箔	40	87.3	65.7	76.1	78.9	77.6
加大灌胶量	40	80.9	60.4	69.5	75.1	74.1

3.1 通过降低COB输入电流，温度显而易见的有较明显的降低。本文重点对比结构上的不同改进对热的影响。

3.2石墨烯基高辐射导热涂料导热系数＞5W/(m·K)，红外发射反射率达0.9，而压铸铝散热器喷涂前发射率仅0.1。对于自然对流冷却的电子产品，辐射散热量占电子产品发热量的一定比例，强化热辐射可以改善产品的散热。查辐射传热的计算公式可知，增大表面积和提高物体的发射率可以强化热辐射。一般情况下，只考虑通过提高物体表面的发射率强化热辐射，这是因为增大表面积往往受到结构设计的制约，并且只有增大表面积与角系数的乘积才能强化辐射传热。

只有同时满足提高发射率前物体表面温度越高、原发射率越低、结构越简单（如凸表面）三个条件，提高物体表面发射率后才能明显地改善辐射散热的效果。

一方面，如果物体表面是凸表面，则提高表面发射率降温效果比较明显，而本实验研究的附图二中铝杯整周翅片构成了一个凹表面，提高表面发射率降温效果不明显，可以说，翅片的作用主要是增大散热面积、强化对流传热，对热辐射效率影响不大。

另一方面，铝杯被包覆在胶座之类，其与胶座的温差不大，也难以发挥辐射散热的作用。因此从表三可看出其散热效率不如铝杯及胶座之间填充铝箔。

3.3如下附图三，受用机械方法在胶座表面对应铝杯翅片的间隙开槽，理想情况增大温升很高的铝杯和空气之间的对流，将热量能散发到空气中。导热始终只能转移热量，只有对流和热辐射才能把热量带到环境中，从而避免热源温度不断升高，也是热设计的最终目的。

由流体自身温度场的不均匀性所引起的流动称为自然对流。强化对流传热的方法有提高对流传热系数和增大对流传热表面面积两种。通过在胶座表面开槽增大了灯体与空气的对流传热面积，所以温度有所降低，铝杯温度降低幅度较为明显。

自然对流传热分为大空间自然对流和有限空间自然对流，又称外部自然对流和内部自然对流。因灯是在40度高温箱内密闭工作，因此大空间自然对流可忽略，主要是有限空间的自然对流和热辐射的作用，但作用有限，没达到理想效果。

3.4铝杯和胶座之间用铝箔填充（见附图二），能降低铝杯和胶座之间的接触热阻，使散热通道连通，铝杯翅片+铝箔+胶座三者的接触面积并不大，因此改善力度有限，温度降低1度不到。

当热量流过两个相接触的固体交界面（称为接触界面）时，由于两个固体表面不能紧密接触，中间存在部分缝隙，缝隙内热量的传递依靠空气的导热（空气导热系数仅为0.026W/(m·K)）和热辐射进行，因此会对热流呈现出明显的阻力，称为接触热阻。未加铝箔前，胶座和铝杯之间因设计预留及制造误差一定是有缝隙的。铝箔填充了缝隙降低了接触热阻，可从表二看出铝杯和胶座的温差由初测的14.3减为10.4，减小了两者的温差。

实验时因结构限制的缘故采用铝箔，更多的时候为减小接触热阻可填充导热硅脂、导热垫片等。减小接触热阻的方法除了在接触表面之间填充导热材料，还有加大接触表面之间的压力，提高两个接触面的加工精度以及在结构强度许可的条件下，选用硬度较小的材料作为散热片或元器件的壳体。

附

附图三 开槽示意图

图二 结构示意图从上到下依次为透镜、COB、

铝 杯、胶座、电源、灯头

整周用铝箔填充铝杯翅片与胶座之间间隙

附图四 加大灌胶量灌胶平面如下图所示

3.5加大灌胶量，使灌胶平面由附图一的位置改为附图四的位置，测温后PIR SENSOR降到75度以内，可安全工作；COB引脚80.9，推算结温91.4，寿命可达2.5wh；铝杯温升69.5-40=29.5＜30°，符合约定俗成的散热器理想温升。可认为热测试通过。

在散热器和胶座之间增加铝箔和改变灌胶平面使灯珠、散热器、灌封胶连成一个整体都是改善灯体内热的传导。工程中很多导热现象可以简化为通过平板的导热，平板的4个侧面绝热，另外两个表面维持均匀的温度，则热量仅沿平板厚度方向均匀传导。散热通道上各环节产生的温差可用下式计算，其中Q为通过平板的热流量，单位为W；λ为平板导热系数，单位为W/(m·K)；δ为平板的厚度。在电子产品的散热设计中，温差大的环节需要特别注意并尽量改善该环节的传热。

导热设计的目的就是对于一定的热量Q，控制温差△T，使其尽可能小，所以要尽量选用λ大的材料，增大导热截面面积A，并缩短导热通路的长度δ。

增大导热截面面积主要包括两个方面：尽量避免导热通路上的热流瓶颈；新辟导热通路，即在产品高温与低温零部件之间增加导热材料或零部件，以增大导热截面面积。

将散热器和灌封胶之间的空气用灌封胶填充，使热源COB和散热器及胶座连成一个整体，相当于大大增大了导热截面面积；以前热量主要通道为C0B到散热器再到胶座外壳，加大灌胶量后COB热量可直接与外界空气连通，故另一种意义上来讲也是缩短了导热通路的长度。因此加大灌胶量的方法能较大幅度降低热源温度，由表二看出铝杯和胶座之间温差为9.1，是几种方法的最小值，也说明二者之间热传导最好。

4 总结

在实际问题中，导热、对流、热辐射三种传热方式往往同时存在，共同构成某一传热过程。对流传热主要是热源外壁与周围空气之间进行，辐射传热主要是热源外壁与周围温度较低的其它表面（如墙面）之前进行的。分析一个复杂的实际热量传递过程由哪些串联环节组成，以及在同一环节中有哪些热量传递方式起主要作用，是求解实际传热问题的基础。本文通过理论与实践相结合的方式分析了几种结构设计对散热的影响，可以抛砖引玉。同时也可以利用热仿真软件，简化模型模拟，相信能得到相同的结果。

参考文献：

[1] 何国安. LED照明产品的热设计与实战 2017.3