LED射燈散熱外殼及散熱設(shè)計與仿真效果分析

龍宜新

摘要：LED射燈具有低碳、節(jié)能、經(jīng)久耐用等優(yōu)勢，正在逐步地被普及與發(fā)展。現(xiàn)階段，LED射燈光效則相對有限，大量的電能都轉(zhuǎn)化成熱能，這樣就影響了其照明功能的發(fā)揮，影響了照明效率。本文重點分析了LED射燈散熱外殼類型以及散熱設(shè)計以及最終的仿真實效。

關(guān)鍵詞：LED射燈;散熱外殼;散熱設(shè)計;仿真效果

0 ?前言

LED射燈有著自身的結(jié)構(gòu)部件，燈罩、面環(huán)、散熱器等，以及其他的配件包括：燈頭針腳、螺絲等，燈具的外殼一般選擇具有防火阻燃功能的材質(zhì)。燈具的外殼應(yīng)該選擇特定級別的散熱設(shè)計，通常要達到V-2級別。

1 ?LED射燈散熱外殼類型

1.1 塑料外殼加沖壓鋁

鋁合金沖壓件附于鋁基板，整體牢固于外殼，小于3瓦的射燈，外殼應(yīng)選擇PC材質(zhì)塑膠，相反，大于5W的射燈則應(yīng)選擇導(dǎo)熱塑料充當(dāng)其外殼，其導(dǎo)熱率從1-20范圍變化，然而，其導(dǎo)熱率較高、成本也較大，一般的塑料導(dǎo)熱率只有0.2-0.3，一般來說導(dǎo)熱性能可以用導(dǎo)熱系數(shù)來評估，其優(yōu)勢為：勻稱散熱，防止局部件在高溫下發(fā)生形變，質(zhì)量較輕、輕于鋁材質(zhì)40-50%，方便加工成型，不用再次加工。

1.2 沖壓鋁外殼

將鋁合金材質(zhì)作為外殼的沖壓件，此類外殼未能達到理想的散熱效果，然而，其外殼是良好的導(dǎo)體，卻對電源的絕緣性有更高要求，電源則要深入形成絕緣處理，一般適合于小于3W的電源，高于5W的電源很容易出現(xiàn)高溫問題，從而造成燈亮度不夠。

1.3 壓鑄鋁外殼

從外觀上，這一外殼結(jié)構(gòu)獨具優(yōu)點，而且其質(zhì)地更優(yōu)、鑄件尺寸也能達到較高的精度，而且表層有良好的光潔度，強度和硬度都達到理想水平，大小也相對穩(wěn)定，而且互換性更優(yōu)，能夠被壓鑄成鋁薄壁復(fù)雜的鑄造件。一般來說，壓鑄鋁磨具更耐久使用，可以持續(xù)用幾百萬次，而且能達到自動化的目標(biāo)，然而，對于沖壓金屬件來說其投入較大，適合用在高級射燈內(nèi)部。

1.4 擠出鋁外殼

如果選擇擠出工藝，散熱外殼的結(jié)構(gòu)與形態(tài)方面相對受限，一般為太陽花的形態(tài)，當(dāng)擠出斷開后，則可以對型材實施深加工，其里面所配置的電源必須實施絕緣優(yōu)化處理，金屬散熱設(shè)備內(nèi)部，擠出鋁能達到理想的散熱成效，而且成型方法也不會對里面的分子構(gòu)造帶來較嚴(yán)重的影響。通常來說，其導(dǎo)熱效率達到壓鑄鋁的兩到三倍。

1.5 導(dǎo)熱陶瓷外殼

在整個的絕緣材質(zhì)中，導(dǎo)熱陶瓷屬于優(yōu)良的材質(zhì)，因為其具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，其優(yōu)勢體現(xiàn)在：耐高溫、抗腐蝕，而且相同條件下，陶瓷散熱器能增加散熱效率，達到金屬的幾十倍。然而，陶瓷的特點就是過于脆弱，使用中很可能被打破，局部可能受損，和塑料對比起來這方面不占優(yōu)勢?，F(xiàn)階段，通常用導(dǎo)熱塑料來取代導(dǎo)熱陶瓷。

1.6 塑包鋁結(jié)構(gòu)外殼

對鋁合金進行深入加工、處理，而且要將其植入注塑模具內(nèi)，實施注塑處理，塑料能穩(wěn)妥地包住鋁合金，內(nèi)部的鋁合金件能通過沖壓、壓鑄等方式來成型。外圍塑料可以選擇導(dǎo)熱性塑料，以此來確保整個射燈達到理想的散熱功能，一般更適合于體積較小、瓦數(shù)較大的燈具，更適合于用在球形燈泡內(nèi)，如果是GUI0射燈一般如果其功率小于6W，則不適合選擇此構(gòu)造。

2 ?LED射燈的散熱設(shè)計

LED射燈散熱設(shè)計的根本目標(biāo)在于當(dāng)使用溫度達到一個頂點時，常規(guī)運行環(huán)境下，LED燈即便長時間點亮，其芯片的溫度極值也能控制在節(jié)溫以下，這一射燈的LED選擇了高光效封裝成3030的LED，型號：GW PSLMS1.EC-GRGT-5R8T-1，結(jié)溫：125攝氏度，同時，對電源的重要元件、器件，例如：芯片也提出了特殊的規(guī)定和要求，需要其工作溫度在100度以下，圍繞上述規(guī)定來合理地設(shè)計射燈的散熱零部件，參照設(shè)計規(guī)則來構(gòu)造出一個散熱器的大致模型，再參照現(xiàn)實所運用的各類材料來形成一個散熱模型，具體可以借助通過EFD軟件來對結(jié)果加以模擬，具體的設(shè)計參數(shù)如下：

第一，塑膠外殼+沖壓鋁外殼?？梢赃x擇電路板、導(dǎo)熱硅膠、沖壓鋁、導(dǎo)熱硅膠、塑膠外殼。散熱器熱阻為：如果為普通塑料，應(yīng)為0.3W/mk，導(dǎo)熱塑料：1-20W/mk，沖壓鋁的熱阻：230W/mk。其優(yōu)勢：外觀形狀十分漂亮，能發(fā)揮散熱功能，兩類材料有效融合能增加一層導(dǎo)熱通道，然而，其散熱效果則一般。

第二，沖壓鋁外殼。主要選擇電路板、導(dǎo)熱硅膠、沖壓鋁進行散熱，其中沖壓鋁的熱阻為：230W/mk，其優(yōu)勢為：能更好的散熱，不足在于：厚度較厚無法有效地儲能，難以形成復(fù)雜的外形。

第三，壓鑄鋁外殼。主要選擇電路板、壓鑄鋁作為散熱通道，其熱阻為：96W/mk，優(yōu)點體現(xiàn)在：理想的導(dǎo)熱性、而且輔助特定的造型設(shè)計，其不足在于：內(nèi)部鋁合金量太大，需要較多的投入，重量較重。

第四，擠出鋁外殼。主要將電路板、導(dǎo)熱硅膠等作為散熱通道，其熱阻為：160W/mk，其優(yōu)勢為：良好的導(dǎo)熱性能，而且外形較為漂亮，不足之處：因為擠出工藝的需求，只可以形成單方面的構(gòu)造，整體的設(shè)計性能則較為有限。

第五，導(dǎo)熱陶瓷外殼。主要通過電路板、導(dǎo)熱硅膠、導(dǎo)熱陶瓷等來散熱，其熱阻為：29w/mk，能鑄造出特定的造型，不足之處在于：其造型相對簡單、然而，成本相對較高，可能碎裂，多采用和COB綁定基板。

第六，注塑包鋁外殼。主要通過電路板、塑包鋁外殼來散熱，其優(yōu)勢體現(xiàn)在：外殼十分漂亮、精致，有著理想的導(dǎo)熱性能，而且內(nèi)部鑲嵌鋁層能參照需要來鑲嵌不同形態(tài)的鋁合金。這一模具有著很高的成本，適合用在大于7W的燈具。

通過以上不同外殼射燈散熱加以對比，能夠看到：數(shù)值模擬法可以用于研究LED燈是否達到理想的散熱水平，以數(shù)值模擬的方式能最終明確散熱器的最理想設(shè)計模式：肋厚度應(yīng)達到1.0mm，最合理的肋片配設(shè)數(shù)量應(yīng)達到12片，從而使得散熱器的構(gòu)造、功能等得以優(yōu)化，同時，外部環(huán)境溫度的不斷浮動也將極大地影響LED燈芯片結(jié)溫，實際在設(shè)計LED燈時，必須將環(huán)境的影響納入考慮范圍。

3 ?仿真效果分析

如果外部環(huán)境溫度達到25度，對應(yīng)的LED燈的管腳則達到一個運行溫度，通常達到88度，然而，LED燈具所處環(huán)境的最高溫度達到45攝氏度，在這種情況下LED管腳的運行溫度達到108度，相對于之前的溫度下降了十七攝氏度，這就意味著此燈的散熱達到了一個理想的狀態(tài)，可以維持LED的常規(guī)、安全運行，最后可以選擇多路溫度巡檢設(shè)備來圍繞實物展開檢測，所測出的射燈的管腳溫度只有九十度，鋁基板的溫度則達到88.24攝氏度，功率電感溫度也發(fā)生了變化，變成了98.53度，通過測試所得出的數(shù)據(jù)能看出：不同射燈的重要的發(fā)熱部件、元件等，溫度都可以達到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)和要求，這就意味著散熱器達到了理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計，適合燈具的使用需求。

4 ?結(jié)語

通過以上研究能得出：在散熱方面，小功率LED等正在逐漸走向成熟，此類射燈也在大規(guī)模地運用于不同的場地、場景與場合，然而，LED射燈無論是自身的發(fā)展還是推廣應(yīng)用依然有大量的問題出現(xiàn)，其中最為重要、棘手的問題在于：怎樣能讓LED射燈更好地散熱，以及怎樣達到LED射燈逐步走向模塊化、互換性，并延長其使用周期，確保其能折射出高亮光，而且能被有效地操作控制，從而發(fā)揮LED燈應(yīng)有的功能則十分關(guān)鍵。

參考文獻：

[1] 張紅.熱管節(jié)能技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2] 楊林. LED照明的質(zhì)量可靠性研究分析[M].電子工業(yè)出版社，2015.

[3] 房海明.LED照明技術(shù)與設(shè)計100問[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[4] 辛文彤.ANSYS13.0熱力學(xué)有限元分析從入門到精通[M].機械工業(yè)出版社，2011.

[5] 王橋立，夏志清，文靜.LED結(jié)溫?zé)嶙铇?gòu)成及其影響[J].現(xiàn)代顯示，2008（6）：59-61.