LED道路照明灯具散热系统分析
前言
在我国的总用电量中，照明用电大约占13%。而城市公共照明尤其是道路照明用电在整个照明领域占有庞大的份额。近年来，随着国家建设节约型社会战略的提出，作为一种高效节能的新型光源，在其生产工艺以及性能不断进步的基础上，led进入道路照明领域已经成为一种必然趋势。
1、LED的结温和性能的关系
目前限制LED道路照明灯具发展的瓶颈主要有两个：一个是成本。目前LED光源相对传统光源来说，价格还是偏高。但是随着生产工艺的进步以及国内企业的广泛参与，LED成本会逐步下降。另一个瓶颈是散热。由于LED属于半导体发光器件，而半导体器件随着自身温度的变化，其特性会有明显的变化。对于LED，结温的升高会导致器件各方面性能的变化与衰减。这种变化主要体现在三个方面：
(1)减少LED的外量子效率；
(2)缩短LED的寿命；
(3)造成LED发出光的主波长偏移，从而导致光源的颜色发生偏移。
其中，器件的外量子效率是与LED光效直接相关的量，外量子效率的下降将会直接导致LED光效的降低。随着器件PN结温度的上升，白光LED芯片的发光主波长会向长波方向移动。统计资料表明：在100℃的温度下，波长可以红移4～9nm，从而导致YAG荧光粉吸收率下降，也会导致LED输出光通量的减少。图1是CREE公司生产的X2Lamps系列产品(a)与LUMILEDS公司生产的LUXEONK2系列产品(b)相对光输出随结温的变化曲线，这两种产品都是现在技术较成熟的大功率白光LED。从图1可以发现，当器件结温上升到65℃时，二者的光输出相对于室温时会下降10%左右。
图1：LED相对光输出随结温的变化曲线。
对于单个LED而言，如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，则会导致芯片温度升高，引起热应力的非均匀分布，芯片的失效率也会上升。研究表明：当温度超过一定值时，LED的失效率将呈指数规律攀升，LED的温度每上升2℃，可靠性下降10%。
图2是LUMILEDS生产的LUXEONK2系列产品结温与寿命的关系。从图中可以看到，当结温上升时，LED的光衰会明显加快，寿命也明显降低。光效、色温、寿命等参数都是照明应用中非常重要的指标，因此如何通过合理的散热设计，控制LED灯具的温升是LED进入道路照明领域亟需解决的问题。
图2：LED结温与寿命关系曲线。
2、路灯灯具热学分析模型
要想分析路灯的热学传导模型，首先要选出温度基准，就是我们要最终分析和控制的温度指标。现在市场上很多LED灯具产品给出的温升指标大部分都是基于灯具外壳的温度相对于环境温度的差异，用这种方法来衡量灯具散热性能存在着一定的局限性。因为与LED器件性能直接相关的是其PN结的结温，我们关心的最终指标是结温的高低。不同灯具在LED光源选取、灯具材料使用、生产工艺以及散热设计等各方面都有很大不同，导致从LED的PN结到灯具外壳的热阻有很大的差异。在这种情况下，用灯具外壳温度相对环境温度的温升来判断灯具的散热性能是不科学的。我们必须通过一定方法测量出芯片的结温，然后通过结温的变化来衡量灯具散热设计的优劣。
综合考虑道路照明的各项要求，以及路灯的在配光、机械、防护等级等各方面的要求，目前应用在LED道路照明灯具中的主要散热方式有两种：第一种是被动式散热，即通过安装散热片来散热。这种方式结构简单，但散热效率比较低；第二种是主动式散热，即通过外加风扇或者水冷等方式来散热，这种方法散热效率比较高，但是需要额外的功耗，会降低系统效率，并且设计难度很大。
这两种散热方式各有优缺点，做出的灯具产品结构大不相同，但是综合灯具设计的各方面因素以及结合LED自身的特点考虑，目前LED灯具核心的结构还是基本相同的，既选用1W左右的LED焊接在铝PCB板上，然后将PCB板通过合适的分布方式固定在灯具外壳上，再依靠外壳将热量散出去。因此，其热量的流动大概可以简单归结为如下过程：先是经过焊接层将热量传给固定LED的铝基板，然后铝基板导热胶将热量传给灯具外壳，再通过灯具外壳传导给各个散热片，最后靠散热片与空气间的对流将热量散出。整个过程可以用如图3所示的等效热阻模型来表示。
图3：LED路灯灯具等效热阻模型示意图。
热量的传递主要有三种方式：热传导、热对流和热辐射。通过图示分析可知，LED路灯灯具在散热过程中主要是利用传导和对流来散热，因此灯具热学系统的热阻也就可以主要分为两种：传导型热阻和对流型热阻。对于传导型热阻，其阻值R=ΔxPKA；对于对流型热阻，其阻值R=1PhA。其中：K是材料的导热系数，h是对流系数，A是导热面积。
通过图3可知，如果想将LED产生的热量迅速传递到大气环境，需要经过的传导热阻包括LED器件与铝基PCB板焊接层之间的焊接热阻、铝基PCB的热阻、铝基PCB板与灯具外壳之间的导热硅胶层热阻、以及灯具外壳的热阻。由于焊接以及涂硅胶的工艺都有可能产生气泡，引入空气热阻，并且这种气泡是包围在焊接层与硅胶内部的，很难与外界气体进行交流，所以这部分热阻可以看作空气传导热量的传导热阻，而不是对流热阻。
通过前面的公式我们可以看出，要降低各部分的热阻，在材料选定的情况下，应尽可能降低材料的厚度。铝的导热系数K=202WPm·℃，镍的导热系数是93WPm·℃，而空气的导热系数是01024WPm·℃，因此，为降低连接层的热阻，就要尽可能减少焊接层和硅胶层中的气泡。以下结合两种具体的散热方式来分析灯具的散热设计。
3、被动式散热
被动式散热就是依靠灯具自身的外表面与空气的自然对流将LED产生的热量散出。这种散热方式设计简单，并且很容易和灯具的机械结构设计结合起来，这就比较容易达到灯具的防护等级要求，并且成本较低，因此是目前采用最广泛的一种散热方式。但是这种散热方式也有缺点，就是散热效率不高，并且设计出的灯具因为有大量的散热片而导致灯具过重。同时由于散热片的存在，使得灯具外壳比较容易积灰，会降低灯具的维护系数。
为科学地分析这种散热的方式的散热效率，我们选取了几种采用这种散热方式的LED道路照明灯具，每个样品在同一封闭房间内(保证空气的对流系数相同)燃点3h(确保灯具已达到热平衡)后，测量其结温，为消除室温波动的影响，我们在分析时采用相对温度，即稳态结温与室温的差值来衡量灯具的散热效果，具体数据见表1。
表1：采用同类散热方式的灯具散热效果比较
为衡量灯具的散热效率，灯具的输入功率以及机械参数也列在表1中。其中散热片面积是整个灯具的有效外表面面积(不包括前端玻璃的面积)，单位功耗对应的散热面积由散热片面积除以灯具的输入功率得出，此指标用来衡量灯具的散热效率。为了更直观的反映单位功耗对应散热面积与灯具结温变化即灯具散热效果之间的关系，我们将这两项指标做成散点图，如图4所示。
图4：单位功耗对应散热面积与灯具散热效果之间的关系
通过分析表1数据，并结合图4可以发现，散热面积越大，器件的结温上升会越小，但是二者并不成简单的比例关系，这说明各样品散热器的效率并不是一样的。尤其是3号样品，其单位功耗对应的散热面积和4号样品差不多，但是其LED结温上升却比4号样品高5℃左右，这证明其散热器的效率比4号样品要差很多。分析3号样品的散热结构可以发现，其散热片的高度为15mm，但是其散热片之间的间距仅为4mm，也就是说相对其散热片高度，两个散热片之间的距离很小，形成一个很窄沟槽，而这种沟槽里的空气很难与外界的空气流通，这样就会影响灯具外表面的对流系数，从而影响灯具整体的散热效率。
4、主动式散热
主动式散热主要是通过水冷、风扇等手段增加散热器表面的空气流动速度，以便快速带走散热片上的热量，从而提高散热效率。具体到本文的等效模型中，就是通过增加对流系数h，以降低散热片与大气之间的热对流内阻，从而降低LED芯片的PN结温升。对于LED道路照明灯具，考虑到道路照明灯具的使用环境及防护要求，一般选用风扇作为增加对流的手段。
为了证明风扇的散热能力，做了如下试验：选用两个能耗密度比较高的灯具样品，分别在有风扇和无风扇的情况测量包括LED芯片结温以及散热片温度等在内的各个温度参数。考虑到道路照明灯具通常为IP65防护灯具，而风扇则需要更高的防水防尘等级，因此预计以后市场化的LED照明灯具产品中的风扇应该是封闭在灯具内。因此在测量样品时，我们将装有风扇的灯具放在一个封闭的金属腔体内。在采集实验数据时，除了采集灯具中LED芯片的结温，我们还用两个温度探头，分别读出灯具散热器和金属空腔外壳的温度以做参照，具体测试数据见表2。
表2：有、无风扇时样品各部分的温度
通过对比表2列出的测试数据可以发现，在加了风扇之后，两个样品的LED芯片的温度分别下降了3217℃和3613℃，相比没有风扇时，结温有了大幅度的下降，这说明增加风扇的确在很大程度上改善了灯具的散热性能。从表2可以发现，温度明显下降的主要是LED芯片的结温和灯具散热片的温度，包围灯具的金属腔的温度在加了风扇之后并没有明显的变化，这是因为加了风扇之后，只不过是增加了散热器表面的空气流动速度，增加了对流系数，从而降低了对流的热阻，但是LED芯片产生的热量要散出去还是要通过封闭的金属腔外壳，而灯具产生的热量是一定的，所以通过金属腔外表面散出的热量也是一定的，无论我们怎么改变里面的风扇风速，金属腔外表的温度变化应该是不大的。
5、结论
本文针对目前LED道路照明灯具常用的两种散热模式选取了一些样品，对其各部分温度进行了系统科学的测试。通过对测试数据的分析，并结合LED灯具热学分析模型，具体分析了影响灯具散热效率的各方面因素，从而为设计高散热效率的LED灯具提供指导，对推动LED在道路照明中的应用具有重要意义。