大功率LED路灯的散热结构设计和参数优化

摘要：为了达到对大功率LED路灯产品既降低制造成本(散热器质量)又加快散热的目的，优化了LED路灯散热器结构。在对原有结构参数化建模及热分析的基础上，采用正交试验分析了散热器中平板厚度、翅片厚度、翅片间距、翅片高度4因素对产品质量与散热效果的影响，并研究了同一结构下热传导与热对流两种方式对散热的影响，最终得出了一个较为理想的优化结果。数据结果表明，改进后的散热器最高温度较原始模型下降了11℃以上，同时，质量降低了约15．3％。
关键词：大功率LED路灯；热分析；散热结构；ANSYS

目前，LED照明产品正在逐渐取代传统的照明灯具成为主流照明产品。对于高功率的LED路灯而言，光效是灯具设计师关注的重点，然而，LED模组的低结温是实现长寿命和高光效的至关因素。现实中，有很多关于路灯早期失效的报道，称之为死灯，这对公共照明来说是一个极大的制约。因此，如何降低大功率LED产品的结温是研究热点问题之一。
众所周知，LED光电转换效率制约在15％～20％，其余的电能几乎全部转换成热能，因此在LED产品工作时，将会产生大量的热量。当多个LED密集排列组成路灯时，热量的聚集效应更为严重。若不将此热量尽快散出，随之而来的热效应将非常明显。这将会引起芯片内部热量聚集，导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。
本文利用有限元分析软件ANSYS对LED路灯进行了热分析，对其散热结构进行了设计与优化，达到了降低制造成本又加快散热的效果。

1 散热器结构设计与建模
通常条件下，热量的传递有3种方式：传导、对流和辐射。因辐射散热量非常小，所以本文主要讨论传导和对流2种传热方式。
在LED路灯中，热传导主要表现在封装结构与散热器中，而热对流主要靠散热器来体现。因此，在大功率LED路灯中，外部散热器的结构设计非常关键，直接影响整个系统的散热能力。
在制作LED路灯时，通常将封装好的LED光源焊接在MCPCB上，而后MCPCB与外部的散热器通过采用导热粘合剂以及机械紧固件法等固定在散热器上，如图1所示。热量的主要传输通道为：PN结-Cu柱-MCPCB-散热器-空气(环境)。

本文主要考虑散热器对散热的影响，采用的散热器结构为一块带有很多散热翅片的热的良导体，通过具有一定厚度的“导热板”固定住装载有LED光源的MCPCB，实物如图2所示，主要参数见表1。

首先，根据灯具、封装光源等实际尺寸，在有限元模拟分析软件ANSYS中建立模型如下。
在此模型中，考虑到灯具传热的主要途径，忽略了封装光源的引脚对散热的影响。同时，由于封装用的环氧树脂热导率只有0.2W／mK，在这里作绝热处理。另外，假设各接触面均为理想接触界面，即不考虑界面热阻。在模拟过程中，边界条件设置如下：芯片功率为1 W，光电转换效率设置为15％，与空气对流系数设为5，散热体黑度为0．5，环境温度为25℃。