大功率LED路灯的散热结构实现

　　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)。

　　图1 热量传输通道示意图

　　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。

　　图2 KS 路灯实物图

　　表1 路灯基本参数

　　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℃。

　　2 散热器参数优化

　　现今，LED路灯散热设计中存在以下问题：散热翅片面积随意设定;散热翅片布置方式不合理;灯具散热翅片的布置没有考虑到灯具的使用方式，影响到翅片效果的发挥;强调热传导环节、忽视对流散热环节;忽视传热的均衡性。这种往往导致了散热器质量庞大，其中一部分翅片没有发挥作用或作用很有限。

    2.1 参数优化实验一

　　本文利用正交试验对散热片结构中的底板厚度、翅片厚度、翅片间距、翅片高度4个因素进行了优化设计。把以上影响散热片散热性能的4个参数作为因素，每个因素取4个水平，以模型质量和最高温度为指标，采用正交表L16(44)模拟实验，结果如表2所示。

　　表2 正交试验结果表

　　根据正交试验表中的数据，将以上四因素对试验指标的极差进行统计，结果见表3～表6。表中数据显示对散热片质量的影响由大到小的因素依次为：翅片厚度、翅片间距、翅片高度、底板厚度;对模型最高点温度的影响由大到小的因素依次为：翅片间距、翅片高度、翅片厚度、底板厚度。

　　表3 翅片厚度对试验指标的极差分析表

　　表4 翅片间距对试验指标的极差分析表

　　表5 翅片高度对试验指标的极差分析表

　　表6 底板厚度对试验指标的极差分析表