LED道路照明光源的散熱

1、產(chǎn)品與應用 LED 道路照明光源的散熱與配光應用 李志航 高鐵成 （天津工業(yè)大學信息與通信學院，天津 300160） 摘要 作為照明光源的小功率 LED 陣列，雖然解決了散熱問題，但 LED 數(shù)量多、光衰強、安 裝成本高，采用大功率 LED已經(jīng)是城市照明 LED路燈發(fā)展的趨勢。 如何解決大功率 LED路燈產(chǎn)品的 散熱、 LED 的散光，聚光控制問題，路燈在路面照射面的照度范圍、型態(tài)和照度的均衡問題和光 電轉(zhuǎn)換效率太低，每瓦只有幾個流明等問題是本文研究的關(guān)鍵。 關(guān)鍵詞：大功率 LED；散熱；道路照明；性能對比 LED Road Lighting Source with the Heat and

2、Light Application Li Zhihang Gao Tiecheng (Information and Communication Engineering Institute of Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160 Abstract Modern lighting in the area as a source of low-power LED array, Thermal issue is resolved， LED used to be a lot of volume, low-power LED light fai

3、lure strong, and the installation of high cost； Urban Lighting LED lights use high-power LED is the trend of development, with a small number of high-power LED to LED lights in the products because no good solution to achieve a certain amount of power, LED the heat; LED astigmatism and the condenser

4、 control； Street lamps in the road surface of the illumination of the exposure, type and intensity of the balance； Photoelectric conversion efficiency is too low, only a few lumens per watt, and other issues. Key words： high-power LED； thermal； road Lighting； comparative performance 1 引言 LED（ Light

5、Emitting Diode，稱發(fā)光二極管）， 屬于固態(tài)光源。LED 的應用已有較悠久的歷史，以 前主要應用在各種電子設備的指示燈、大屏幕顯示 器、信號燈和液晶屏幕背光源等領(lǐng)域。近些年來， 隨著 GaP、 GaN 系 -V 族化合物半導體的結(jié)晶成長 工藝技術(shù)及納米技術(shù)的進步，LED 的光效和大功率 集成技術(shù)都有了很大的提高，LED 已經(jīng)開始在照明 領(lǐng)域得到初步應用，出現(xiàn)了 LED 路燈、 LED 礦燈、 LED 應急燈、LED 車燈、LED 景觀燈等多種以大功 率 LED 為光源的照明燈具。 近幾年，隨著 LED 的發(fā)光效率增長 100 倍，成 本下降 10 倍，其在照明領(lǐng)域的發(fā)展前景，吸引全

6、球 照明大廠家都先后加入 LED 光源及市場開發(fā)中。 美、日、歐及中國臺灣省均推出了半導體照明計劃。 我國 2001 年 863 計劃立項， 2003 年緊急啟動 了 “國家半導體照明工程 ”。從 2006 年的 “十一五 ”開 始，國家將半導體照明工程作為一個重大工程進行 推動。當前，我國經(jīng)濟快速增長，能源緊張的矛盾 日益顯現(xiàn)，我國照明所消耗的電能約占電力總消耗 量的 1/6，因此提高照明產(chǎn)品的能效水平，無疑將較 大幅度降低能源消耗，有效緩解目前我國電力供應 緊張的局面。國家將貫徹節(jié)能優(yōu)先政策，并將 “照明 器具 ”列入節(jié)能重點領(lǐng)域，在 “十一五 ”期間，大力推 進綠色節(jié)能照明工程， LED

7、 路燈就是 LED 技術(shù)的 重要節(jié)能應用。 2 2.1 設計思路和方法 光源的選擇 傳統(tǒng)照明光源主要有 3 大類：白熾燈、熒光燈 和稀有氣體放電燈。與這些光源相比，LED 光源光 2008 年第 7 期 95 產(chǎn)品與應用 效比較高，使用壽命長，采用安全電壓供電，不含 有毒重金屬，顯色指數(shù)高，而且屬于新型光源，發(fā) 展?jié)摿薮?，是未來傳統(tǒng)光源理想的替代品。表 1 為幾種照明光源的性能比較。 表1 測試項目 發(fā)光效率 幾種照明光源的性能指標 LED 50 50 85 20 燈具結(jié)構(gòu)設計研究 （ 1）燈具結(jié)構(gòu) 組成結(jié)構(gòu)： LED 路燈由鋁合金壓鑄燈體， LED 模塊，鋼化玻璃透光罩，AC/DC 恒流驅(qū)

8、動器，電器 室蓋板五部分組成，如圖 1 所示。 鋼化玻璃 驅(qū)動器蓋板 2.2 白熾燈 熒光燈 高壓汞燈 高壓鈉燈 (1m-w 壽命 kh 顯色指數(shù) 成本 16 2 95 0.4 簡單 一般 差 好 差 一般 70 8 10 75 1.5 中 一般 差 差 差 汞污染 50 6 20 45 5 復雜 價格高 差 一般 好 差 汞污染 100 24 23 5 復雜 價格高 差 一般 好 差 汞污染 燈體 (8 -(klm 驅(qū)動電路 價格 安全性 可靠性 亮度可調(diào)性 方向性 環(huán)保性 模組 中 價格低 高 高 好 好 好 驅(qū)動器 燈桿 價格低 價格低 圖1 LED 燈具結(jié)構(gòu) 功能結(jié)構(gòu)：散熱燈體，光源室

9、，電器室三部分 組成，如圖 2 所示。 注：白熾燈發(fā)光效率為 30 W 的數(shù)據(jù) 散熱是 LED 路燈要重點解決的問題。 LED 是 冷光源，不象白熾燈那樣產(chǎn)生灼熱的高溫，但是， LED 本身耐溫能力比較差，所以必須將發(fā)光管工作 時產(chǎn)生的熱量有效地散發(fā)到空氣中去，保證芯片工 作在安全的溫度環(huán)境下， 這樣 LED 燈才能真正的體 現(xiàn)出長壽命的優(yōu)勢。 由于發(fā)光管生產(chǎn)技術(shù)的進步，大功率發(fā)光管內(nèi) 部的熱阻越來越低，目前 1W 的發(fā)光管的熱阻普遍 在 15 /W 以下，也就是說，給 1W 的發(fā)光管加 1W 的電功率，管芯比管殼的溫度只高 15。按照目前 發(fā)光管管芯材料的耐溫水平，管芯溫度不超過 150就能

10、長期安全的工作。這樣推算，外殼溫度 135時可以安全使用。但是，由于外殼封裝材料的 限制，實際使用中的管殼溫度最好不超過 70，這 樣管芯溫度只有 85，發(fā)光管的透明封裝材料也不 會快速老化。因此，沒有必要將半導體燈工作時的 溫度降得很低，但必須減小發(fā)光管外殼和燈體外殼 之間的熱阻，這樣就可以以比較小的體積和比較低 的成本生產(chǎn)穩(wěn)定工作的半導體燈。 要有效地散熱，減小燈的體積和生產(chǎn)成本，燈 體必須有合理的散熱結(jié)構(gòu)。如何合理地把發(fā)光管產(chǎn) 生的熱量傳導到外殼，有效地增大外殼與空氣的接 觸面，并利于空氣在外殼表面上的流動，就是本燈 體熱結(jié)構(gòu)設計要解決的問題。 圖2 LED 燈具功能結(jié)構(gòu) （ 2）散熱材

11、料的選擇 為了做好 LED 路燈，首先要對散熱材料進行選 擇。目前散熱器所采用的基本材料為金屬，這主要出 于三方面的考慮： 導熱性能好， 相對其他固體材料， 金屬具有更好的熱傳導能力； 易于加工， 延展性好， 高溫相對穩(wěn)定，可采用各種加工工藝；易獲取，雖 然金屬也屬不可再生資源，但供貨量大，不需特殊工 序，價格也相對低廉；依此確定了散熱片所用材料類 型，具體種類的確定同樣需以此為標準。表 2 為散熱 片慣用材料與常見金屬材料的熱傳導系數(shù)。 表2 金屬材料 金 銀 銅 鋁 鐵 散熱片慣用材料及熱傳導系數(shù) 熱傳導系數(shù)（W/mK） 317 429 401 237 48 155 201 96 226

12、209 AA6061 型鋁合金 AA6063 型鋁合金 ADC12 型鋁合金 AA1070 型鋁合金 AA1050 型鋁合金 熱傳導系數(shù)越高越好，但同時還需要兼顧到材 料的機械性能與價格。熱傳導系數(shù)很高的金、銀， 96 2008 年第 7 期 產(chǎn)品與應用 由于質(zhì)地柔軟、密度過大及價格過于昂貴而無法廣 泛采用；鐵則由于熱傳導率過低，無法滿足高熱密 度場合的性能需要， 不適合用于制作高性能散熱片。 銅的熱傳導系數(shù)同樣很高，可礙于硬度不足、密度 較大、成本稍高、加工難度大等不利條件，在散熱 片中使用較少。鋁作為地殼中含量最高的金屬，因 熱傳導系數(shù)較高、密度小、價格低而受到青睞；但 由于純鋁硬度較小，

13、在各種應用領(lǐng)域中通常會摻加 各種配方材料制成鋁合金，為此獲得許多純鋁所不 具備的特性， 而成為了散熱片加工材料的理想選擇。 各種鋁合金材料根據(jù)不同的需要， 通過調(diào)整配方 材料的成分與比例， 可以獲得各種不同的特性， 適合 于不同的成形、加工方式，應用于不同的領(lǐng)域。表 1 中列出的 5 種不同鋁合金中：AA6061 與 AA6063 具 有良好的熱傳導能力與加工性，適合于擠壓成形工 藝，在散熱片加工中被廣為采用。ADC12 適合于壓 鑄成形， 但熱傳導系數(shù)較低， 因此散熱片加工中通常 采用 AA1070 鋁合金代替， 可惜加工機械性能方面不 及 ADC12。AA1050 則具有較好的延展性，適合

14、于 沖壓工藝，多用于制造細薄的鰭片。 通過以上分析我們確定了采用 AA1070 選擇一 次性壓鑄成型來實現(xiàn)燈體的制作。 采用一體化鋁合金壓鑄 LED 路燈設計思路： 根 據(jù)道路照明燈具的功能需要及燈具的防護安全等級 的規(guī)定，將整個燈具分成三部分來設計，整體散熱 外殼、光源室和電器室。 1）散熱外殼 散熱片的散熱效果主要取決于散熱片與發(fā)熱物 體接觸部分的吸熱底和散熱片的設計。性能優(yōu)秀的 散熱器，其性能應滿足三個要求：吸熱快、熱阻小、 散熱快。 為了達到吸熱快的效果，就要求吸熱底與 LED 模塊結(jié)合盡量緊密， 讓金屬材料與 LED 模塊直接接 觸，不留任何空隙。 散熱器的整體熱阻就是由與 LED

15、模塊的接觸 面開始逐層累計而來，吸熱底內(nèi)部的熱傳導阻抗是 其中不可忽視的一部分。為將吸收的熱量有效地傳 導到盡量多的鰭片上，還需要吸熱底有較好的橫向 熱傳導能力。在設計時首先滿足吸熱底有足夠的厚 度，同時考慮 LED 模塊的安裝孔位進行加筋，也加 強了燈具的整體性和機械強度。 圖 3、圖 4 為燈體的上部和側(cè)面的散熱結(jié)構(gòu)。 圖3 燈體上部散熱片分布圖 圖4 燈體側(cè)面散熱分布圖 該設計除具有吸熱快，熱阻小，散熱順暢，防 護等級高，機械強度好的優(yōu)點外，還能將 LED 模塊 結(jié)溫控制在 60以下，這在 LED 應用照明上具有 突破性意義。 2）光源室配光 LED 光源之所以適合用于局部照明，是由于

16、LED 模塊在生產(chǎn)時就可以制作成各種發(fā)光角度和各 種功率的產(chǎn)品，利用特定發(fā)光角的光源做局部照明 可以使光源發(fā)出的光得到更有效的利用，和傳統(tǒng)的 不便控制發(fā)光角度的光源相比，可以用比較小的功 率達到同等要求的照明效果， 因而實現(xiàn)節(jié)能的目的。 路燈在路面照射面的照度范圍、型態(tài)和照度的 均衡問題采用在不同的內(nèi)置導光面安放不同功率的 LED 模塊， 使整個照度范圍內(nèi)地面的光強大至均衡。 本 LED 路燈配光和結(jié)構(gòu)所采用的具體技術(shù)方 案是：大功率 LED 路燈由帶散熱片的燈體、 LED 模塊、透光罩、蓋板、密封膠條組成；散熱殼體一 面上的一端設有一個光源室，在其光源室的凹口周 邊配裝有鋼化玻璃透光罩，在散

17、熱燈體的光源室內(nèi) 設有五個不同角度的模塊安裝面，在光源室的導光 安裝面上按不同的配置需要安裝安裝 3 5 個不同 的 LED 模塊單元并按 圖 5 或圖 6 形式安裝。 圖5 圖6 按圖 5 或圖 6 安裝，可以是兩側(cè)照明單元所采 用的 LED 模塊功率比中間照明的 LED 模塊功率大。 用多種功率組合的 LED 模塊組成的 LED 路燈，利 用其光的導向性可以有效地控制光線的分布范圍， 使 LED 模塊發(fā)出的光成為一個長條形光帶沿路面 方向鋪展，如圖 7 所示。 2008 年第 7 期 97 產(chǎn)品與應用 （a） 燈頭配光結(jié)構(gòu) 路燈燈桿 9米 50 米 （b）路燈安裝光源照射分布示意圖 圖7

18、產(chǎn)生的熱直接傳導到燈具殼體的外部，由自然對流 的空氣將熱量直接帶走， 無需其他手段的輔助散熱。 保證了整體溫升在 25以下，對 LED 模塊和恒流 驅(qū)動器在良好的工作溫度中，保證了燈具的性能和 壽命。 由于采用了一體化壓鑄成型的工藝，使燈具的 整體性和一致性得到保證，同時提高了燈具的防護 等級，確保燈具的防護等級達到 GB7000.1 -2002 和 GB7000.5-2005 標準。 通過對配光的研究，針對道路照明的要求設計 出獨特的配光方案，配置不同的模塊對遠距離的路 面增加光強，使整個路面的照度基本相等來實現(xiàn)道 路照明的均勻度。這是傳統(tǒng)路燈所無法做到的。 參考文獻 1 2 3 陳 榮 治

19、 . 照 明 史 上 最 具 革 命 性 的 突 破 進 展 J. 光 訊,2003,(104:15. 許榮宗, 韓偉國, 陳秋伶. 白光 LED 燈板封裝設計 及制作J.電機, 2005, 12(5. Tori Teshima, Takeshi Kouchi, Kaoru Takahashi, Hoichiro Kashiwabara and Osamu Waki. Development of LED High Mounted Stop Lamp. Atanley Electronic Co., Ltd., Toshihide Kawamura, I.I. Stanley Co.,Inc.

20、, SAE 870061:1.2401.247. 4 Gerhard Lindae.Improvement of Low-Beam Pattern by use of Polyellipsoid Headlamps ( PES . SAE850228: 2.2162.227. 5 Charlies W. Spencer and Giorgio Manunta.High Performance Low Profile Headlamps. SAE Tech. Paper #870060. 光的導向是做好 LED 路燈的重要環(huán)節(jié)。 為了有 效地利用光線，應該發(fā)揮發(fā)光管照射方向便于調(diào)控 的優(yōu)勢，使發(fā)光管發(fā)出的光形成一條光帶鋪在路面 上，而不要在無效方向上散射。要做到這一點，應 在結(jié)構(gòu)上采用多種功率的 LED 模塊組合，按 圖 5