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【技术】 巧用结构设计优化大功率LED平板灯的散热

来源: 时间:2015-09-06 10:16:28 浏览次数:

公司新近推出了一款具有自主专利的LED平板灯(如图1)。这款灯采用自然散热方式,不产生任何噪声,不仅能作为便携照明,而且可以很好地满足影视照明灯具的噪声要求。
1 散热性能对LED灯具的重要影响

LED是固态光源,发光芯片面积小,工作时通过芯片的电流密度大;而单颗LED芯片的功率比较小,所输出的光通量也较低,所以,在实际应用到照明设备时大多灯具要求由多颗LED光源组合而成,从而使得LED芯片密集度较大。又因为LED光源的光电转换率不高,大约只有15%~35%左右电能转为光输出,其余均转换成为热能,因此当大量LED光源集中工作时,将会产生大量的热能。如果不能使这些热量尽快有效地耗散,会致使LED光源结温上升,减少芯片出射的光子,使色温质量下降,加快芯片老化,缩短器件寿命。因此,对LED灯具散热结构进行热分析和优化设计就变得异常关键。

就LED光源而言,LED芯片与LED基板之间以及LED基板和散热器之间采用热传导的方式进行散热,散热器和大气环境之间采用热对流的方式进行散热。LED光源热量的75%是通过热传导的方式发出,基本不用考虑热辐射的散热情况。为了较好地控制LED的结温,良好的散热设计主要是从以下两方面考虑:一是改善LED发光器件的内部封装结构,提高发热芯片向基板传导热量的能力;二是提高外壳向外界散热的能力。影视照明灯具是专业照明领域里要求比较高的一种灯具,其要求灯具在使用过程中不能出现色温漂移的现象,而且有很高的噪声要求。这就要求LED灯具设计时要充分考虑灯具的热:只有具有良好的散热性能,才能保障LED芯片温度在恒定的范围内,而不至于在使用过程中产生色温漂移;在足够热的条件下尽量减少散热噪声,最好是实现没有噪声的散热。

2 一种新型的散热结构设计

广州市珠江灯光科技有限公司新近推出了一款具有自主专利的LED影视平板柔光灯(如图1)。这款灯采用自然散热方式,不产生任何噪声,很好地满足了影视照明灯具的噪声要求。在散热结构方面,采用了一种新的结构设计,使LED的热量很好地通过空气对流散发到空气中,保证了LED能够在安全的温度范围内工作,从而确保灯具在使用过程中,不会因为温度过高而产生色温漂移和亮度衰减的问题。

led平板灯1

2.1结构

先看这款灯具散热部分的结构(如图2):从结构上看,光源部分采用16颗集成式LED光源,分成3组安装在凸起来的传热面上,每组之间就有一条整体的凹槽。在凹槽底部就是散热器的支撑板,支撑板把散热器分隔为两个区域:前面的LED光源安装区域和后面的散热片区域。同时,在凸起部位的两侧各留出一排缺口,切开散热器其中的一边看看缺口的位置(如图3)。还有就是从正面图看到中间凸起部位还有一排通孔。

led平板灯2

2.2设计原理剖析

从图3可以看到,缺口和通孔都是连通前后两个区域的作用。此散热系统中,LED的基板是灯具散热系统的传热载体,也是能够接触到的最热的部位。从LED芯片传到基板上的热量,大部分通过散热器传导到散热片上扩散到空气中,而在基板周围的空气受到高温基板的影响,温度也迅速上升。后面区域的温度是通过基板传导到散热片上的热量而上升的,所以其温度上升要比前面区域慢。这样,就导致以支撑板为分隔的前后两个区域存在温度差,而缺口和通孔就是连通这两个有温差的区域的。根据空气流通的原理,当两个区域存在温差时,就会通过这些缺口和通孔进行冷热空气交换,这样就靠自身的结构让空气流动起来(如图4)。前面提到的凹槽就是为了使空气能够在LED周围形成循环流动的风道,让空气流动的范围达到整个区域。因为前后两个区域对传来的热量存在时间差,所以在灯具使用的过程中,它们永远无法达到真正的热平衡,会一直进行冷热空气的流动热交换。因此这两个区域的空气流动是永远不会停止的。也是因为有了永不停止的热交换空气流动,使得灯具的散热效果大大提升。研发人员在设计过程中做了多种情况的温度测试,最终结果就是现在的结构达到最好的散热效果。在模拟的空气冷热交换流动图(如图5)中可以看到,通孔起到了非常重要的作用。

led平板灯3
led平板灯4

led平板灯5


2.3测试

为了验证这种结构的有效性,研发人员反复地做了一项对比测试:将两组灯具,第一组是按照本文所述的结构设计,第二组是将所有的缺口和通孔都封起来,放在相同条件(温度为31.5℃、湿度为55%、无风扇)下的恒温恒湿箱进行测试,灯具热平衡后,利用红外测温仪测量出两组结构的热分布情况(仪器数据显示见图6、图7)。从中可见,第二组的最高温度点达到了55.7℃,而第一组的最高温度点仅50.7℃。即第二组无论是最高温度、平均温度还是最低温度,都比第一组高5℃左右。数据见表1。这个测试充分证明了此种散热结构的有效性。从以上实例可以很清楚地看到,这款产品在结构设计上,充分考虑了空气力学方面的相关特性,在结构上巧妙地利用这些特性,使LED的散热达到了比较好的效果,为以后同类LED灯具的散热设计提供了很好的参考。

led平板灯6

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