LED路灯全新设计方案

LED路灯全新设计方案--------------------------------------------------------------------------------  --------------------------------------------------------------------------------  一、LED散热行业内问题 LED 照明由于其节电、环保、长寿命，而被公认为下一带照明技术。但是，LED有70％之多的电能转化为热能，必须散热。虽然LED发光技术已有飞跃发展，有每 瓦发光达200lm的报道，但LED散热却是LED照明中非常头痛的问题，成了LED照明灯普及发展道路上的拦路虎。 阻碍LED照明应用普及的最大问题是LED灯价格高，价格高又是由于热的问题所致。又由于热的问题，使得当前LED路灯发展在死亡的边缘行走。 人 类对传热的研究已有上百年的历史，传热学及技术已是非常之成熟，就像似成熟的果子，掉到地上被树叶遮盖，不被现在的人们看见，以致当电子行业，主要是计算 机中的CPU发热量突然大增时，人们没有去拔开地面上的树叶，捡起那些熟透的果子，将人类成熟的传热知识移植到电子行业内。而是另起炉灶，创造出不少新名 词：“主动散热”、“被动散热”、“热沉”等听起来不知是什么意思，英文“Sink”在传热学及技术中也是非常罕见的名词。 从传热学 和技术来谈，LED散热并非复杂，只涉及到传热学中非常小的部分—导热传热和对流传热（主要是空气自然对流传热），其中导热传热就可利用现成的传热计算机 软件，得到非常准确的解，比如分析LED封装芯片内的温度分布（传热过程）；分析从LED芯片到散热肋片的内部温度分布。但是应特别注意，对于对流传热， 凡涉及到空气流动，必须通过大量的实验研究，而用计算机软件计算，只有学术上的意义，没有实际工程意义，因为误差太大。 导致LED散热简单问题被复杂化的原因有：知识断层，拥有成熟的传热知识的人员参于到LED散热研究的甚少，缺乏专业的LED散热研究机构，给行业内明确正确的指导思想。 目 前行业内从业的专业散热技术人员，许多是从计算机散热方面转过来的，自然地将那方面常用的技术以及商业行为带过来，比如，热管技术，被大量应用到大功率 LED照明灯（比如路灯）中，给那些原来为计算机芯片散热器服务的热管厂商创造了新的商机，甚至还有提出采用回流式热管。 如果说 LED灯散热采用一般热管像似杀鸡用了杀猪刀，那么采用回流式热管就像似杀鸡举起了宰牛刀。台湾有一家公司发明有《液态沉浸散热技术》，这种缺乏基本对流 传热知识的发明，竟还获得国际发明展金奖。这些受汽车水箱启发的发明创造者，并不清楚汽车发动机为什么采用水（液）冷技术的原因，水在散热过程所起的作 用。 图片：  INCLUDEPICTURE "http://www.elecm.com/a/attachment/Mon_1101/79_244157_9cc9e3dc0ea3f00.jpg" \* MERGEFORMATINET 
 二、当前LED路灯问题图1所示LED路灯是当前最典型、最普遍采用的结构：散热片裸露，大张的设有LED光源芯片的铝基板，贴装在散热片基板上（下方），再加前透明护罩。这种结构设计有如下问题：1、传热设计原理问题 a、散热主要是自然对流传热，空气对流流经散热肋片将热量带走，因而空气对流畅通非常重要，自然对流是自下往上而流动，散热片应设计成让空气自下而上穿过散热肋片［1］ 。但 图1所示当前LED路灯的散热片，空气对流不畅，对流冷空气不易均匀地流经整个散热肋片，在散热片的中心处，空气温度高，散热效果差（表面对流传热系数低 下），并且随着散热片外尺寸加大，其对流传热效果进一步恶化。散热片尺寸加大一倍，但其散热效果并不增加一倍，也就是说：图1所示结构的LED路灯，功率 越大，其散热片尺寸必须加倍地增大。 b、散热肋片之间的间距没有优化。在自然对流散热过程中，不是一味地增加散热片面积（加密散热肋片间距），就能提高散热量，当肋片加密到某一值（最佳值）时，再增加，散热量反而下降。 以上问题所致的结果：散热效果低，LED结温高；散热片的尺寸大（即路灯尺寸大），重量沉（十多公斤），散热成本高居不下。 2、制造生产方面问题 a、散热片整体结构尺寸大，无论采用铝热压铸还是铝挤出成型，散热肋片的厚度不能薄（2mm以上），因而肋化效率非常低，散热用铝多，LED路灯重量沉，其中主要原因在此，散热成本也就高。 b、水密封问题，整体式，大尺寸增加了前透明保护罩与散热片基板之间水密封技术难度，密封的内室空腔大，又不能采用固化密封胶，水密封可靠性低，造价也高。 c、大尺寸的铝基板与散热片基板之间的接触传热可靠性问题。尺寸大了就不容易保证铝基板没有曲翘变形和凹变形，如果LED芯片正好在变形处，该处铝基板与散热片基板面之间的间隙加大，则就导致该处的LED芯片工作温度上升，该LED芯片可靠性下降。 3、电源散热及可靠性问题 a、电源裸露，就得采取水密封措施，为了保证电源板内元件，特别是电解电容散热，必须采取灌胶，全灌封工艺，电源成本升（20％左右），即使这样，电解电容的工作温度还是高，寿命减短，电源可靠降低。 b、电源安装在散热片的上方，电源的环境温度人为地提高（可达到50～60℃）。又影响可靠性。 4、整体式结构，一旦有故障，必须整体拆下，进工厂修理，维护困难。不容易形成通用模块标准，不符合现代化工业产品发展规范。 5、观念方面的问题 a、认为铝基板面积要大，设计成与散热片基板面积相当，这样不仅增加铝基板成本，还对散热带来负面影响，如前所述。 b、 在户外，散热肋片表面铺有一层灰尘，认为是给散热片穿了一件棉袄，是导致当前LED路灯在户外工作一段后出故障的原因，这种错误的观念在有些发表的文章中 都有。大家都知道空调室外机中的冷凝器就是一散热器，如果说由于户外灰尘的影响给现LED路灯的散热片穿了一件棉袄，那么空调室外机中的散热器就穿了十件 棉袄，因为空调中的散热器的对流传热系数是十倍于现LED路灯中的散热片。其实灰尘对LED路灯散热片的影响非常小，分析可得出影响不超5％。c、缺乏空气对流畅通对散热非常重要的理念。有一种LED路灯，在“裸体”式散热片外加了一亮丽外壳，殊不知这样的亮丽外衣就是一件厚厚的棉衣。而且外壳上只有少数的几个孔，根本不能保证空气对流。这样设计LED路灯，光衰死灯是必然的。 d、集中光源问题，图2所示的光源就是集中式光源，认为光源越集中越好，几十瓦不够，要上百瓦。本文不谈集中光源对配光带来的问题，只讨论散热方面问题。从散热这两字都应认识到散热要把热量分散开，集中光源带的问题有： 图片：  INCLUDEPICTURE "http://www.elecm.com/a/attachment/Mon_1101/79_244157_7f49e8cdde39852.jpg" \* MERGEFORMATINET 
 1）、加大了集中光源芯片内的热流密度，则就加大了封装芯片内的导热热阻，本文作者有篇文章专门分析了该问题［2］，1个由9颗1X1mm的晶片，每颗一瓦，当9颗晶片之间间距加大到5mm时，结点温度可以降低5℃。 （2）、 加大了散热片内的导热（或称热传输）距离，自然整个散热热阻增加。有些公司设计的LED路灯，采用热管技术来解决热传输长的问题，但采用热管的成本太高， 这种热管散热器设计为典型CPU或GPU散热器结构，有许多不合理之处，比如热管上的散热肋片就没有尽可能展开，无空气对流畅通非常重要的理念。 e、迷信辐射传热、辐射散热涂料（纳米材料）。 还 是以空调室外机中的散热器为例，没有听说过采用辐射涂料提高散热的产品（或例子）。空调技术非常成熟，为什么空调业界的研究人员、工程师没有想到这点，而 被LED业界的发明家想到了。为什么这样，是因为辐射散热在我们所关心的应用中，所占的比例非常之小，可以不用关心。 另外基本的辐射传热知识分析［4］：理想的辐射体（黑体）的黑度（衡量物体辐射性能的基本参数）为1.0，而一般油漆（特别是黑色）黑度就可达到0.95，与理想黑体差也就是5％。采用纳米这种高科技（也是高价格）的东西，比一般的油漆，仅辐射散热也就最多提高5％。 三、全新架构的LED路灯 图片：  INCLUDEPICTURE "http://www.elecm.com/a/attachment/Mon_1101/79_244157_77cd64f45a89ed8.jpg" \* MERGEFORMATINET 
 图 4示出了本文提出的全新架构的LED路灯外观图，图5是打开上壳的视图。散热器由十个太阳花式