淺析大功率LED工礦燈設計

鄒親勝，金 超

湖北楚驥科技有限公司

淺析大功率LED工礦燈設計

鄒親勝，金 超

湖北楚驥科技有限公司

大功率LED燈具具有亮度高、恒流驅動、發熱量高等特點，因此對散熱要求更加嚴格。在介紹LED燈具設計的主要內容基礎上，重點突出整個散熱通道的熱設計，并以LED工礦燈為例，分析設計中存在的問題及解決辦法。

LED；節能；可靠性；外觀結構；工藝結構；散熱結構

隨著全球能源危機的進一步加劇，新型節能、環保、長壽、色彩豐富的LED照明燈具越來越受到人們的喜愛，但是在LED照明燈具的使用過程中，也出現一些問題，如“節能不節錢”、“長壽不長命”以及亮度衰減過快等，這些其實都不是LED的固有問題，而是我們的燈具結構設計得不合理，下面以大功率LED工礦燈為例來分析一下怎樣才能設計出結構合理的LED照明燈具。

一、大功率LED工礦燈設計的現狀

現階段市場上的大功率LED工礦燈大體可分為兩大類：一類是整體成型散熱結構，另一類是接合型散熱結構。從外表來看，這兩類散熱器的外觀設計和工藝都不錯，但我們不能僅憑外觀來判定其散熱效果，必須通過測試分析LED的結溫才能了解其散熱性能。事實上，大多數LED工礦燈的散熱設計存在一些問題，主要問題如下：

1.散熱翅片面積隨意設定，沒有定量的概念，而只是憑感覺來設計其面積，這是一個嚴重的錯誤。散熱翅片的面積不僅影響整個燈具的散熱效果，而且影響燈具的重量。

2.散熱翅片布置方式不合理，不是以中心對稱的方式布置，這不僅影響熱量傳遞的均衡性，而且還會影響鋁基板或散熱底板的固定效果，從而影響燈具的散熱和生產效率。

3.強調熱傳導環節、忽視對流散熱環節，這可能是一個普遍性的問題。廠家考慮了多種措施，如熱管、回路熱管、添加導熱硅脂等[1]，卻沒有認識到熱量最終還得靠燈具的外表面散去。

4.忽視傳熱的均衡性，這是一個更深層次的問題。如果翅片的溫度分布嚴重不均勻，將會導致其中一部分翅片（溫度較低的部分）沒有發揮作用或作用很有限。

二、大功率LED工礦燈設計內容

1.光學設計

大功率LED工礦燈的光學設計通常有兩種方式：一種是透鏡加反光罩；一種是直接用反光罩。大功率LED工礦燈通常采用朗伯型（類圓形）配光，發光角度為90～120°。光學設計的要點是光損失小、發光均勻，所以反光罩內表面通常采用精細磨砂處理。

2.燈具結構設計

大功率LED工礦燈結構設計的內容包括外觀、工藝和散熱結構，這三者既相互聯系又相互影響，故設計時需綜合考慮所使用的材料、成型工藝、裝配工藝、表面處理及燈具的使用環境等因素。

（1）外觀結構設計

早期設計師們不太關注燈具的外觀設計，但隨著社會的進步和人們生活水平的提高，燈具的外觀結構也越來越受到人們的重視，即所謂的“藝術化”。設計師在進行燈具外觀設計的過程中一定要考慮與環境的和諧統一。全球電器巨頭飛利浦提出了“只見光不見燈”的理念，這就是燈具設計的更高境界了，當然我們不可能一步到位，但可以朝著這個方向努力。

（2）散熱結構設計

燈具的散熱結構決定了燈具的壽命，因此散熱結構設計是燈具結構設計的重中之重，它不僅僅是燈具散熱器的結構設計，而且還包括從發光芯片到散熱器的整個散熱通道的設計，因此與燈具零部件的成型工藝和裝配工藝也息息相關。為了更好的說明散熱通道的設計，我們引入熱阻的公式，熱阻是物體對熱量傳導的阻礙程度，熱阻RT與熱量傳遞的長（厚）度L成正比，與通過熱量的截面積S成反比，與材料的熱導系數λ成反比，即RT=L/λS；且熱阻與電阻串并聯的性質一樣，整個散熱通道的總熱阻為：R總=R1+R2+……+Rn，所以在設計燈具散熱結構時，可遵循以下的設計原則：

1）結構層越少越好；

2）層的厚度越薄越好；

3）層的面積越大越好；

4）材料的熱導系數越大越好；

散熱結構設計的核心是散熱器的設計，首先是散熱器材料的選擇，熱導系數越大越好同時兼顧機械性能、價格及后加工藝[2]，常采用導熱性能更好的6063AL（導熱系數201），但是這種材料通常采用擠壓成型工藝[3]，對于空間結構比較復雜的散熱器不能采用擠壓成型的工藝，只能采用煅壓成型或壓鑄成型工藝，而煅壓成型工藝成本高且受限條件比較多所以不常使用，而壓鑄成型使用材料為鋁合金ADC12（導熱系數96），雖然生產效率高，但模具成本高而且散熱效果比擠壓成型材料要差，所以要根據具體需要來靈活的設計散熱器。

（3）工藝結構設計

燈具的工藝結構除了散熱器本身的結構符合成型工藝的要求外，更重要的是要考慮整個燈具的裝配工藝，絕大多數的設計師都會考慮到散熱器的成型工藝，也會根據成型工藝的要求來設計散熱器的結構，但是對于裝配工藝就考慮得比較少了，沒有考慮一旦裝配不好，不但達不到設計的要求，更可能影響整個燈具的壽命，所以良好的裝配工藝結構不但有利于散熱，而且有利于生產效率的提高以及燈具壽命的提高。

3.電路設計

本文所講電路設計不包括驅動電源的設計，因為驅動電源一直是LED燈具壽命的短板，并且電源的設計專業性比較強，目前國內LED燈具企業的驅動電源多以外購為主。電路設計對于LED工礦燈來說，主要是指LED光源線路板設計，由于大功率LED工礦燈的光源數量較多，一般采用串、并聯混合電路，在面積有限的PCB板內布置LED光源，除了要考慮安全設計、散熱設計外，還要顧及光源的保護，在單顆光源失效后不至于影響其它光源的正常工作。

三、大功率LED工礦燈的應用

大功率LED工礦燈與傳統的高壓鈉燈相比綜合節能60%以上，顯色指數高，色彩豐富，并且維護成本低，安全可靠，因此廣泛應用于工廠、車間、倉庫、會展中心、超市、地鐵站、航站樓、收費站、加油站、體育館等地的照明，隨著LED發光效率的進一步提高，LED工礦燈的應用將更加廣泛。

四、結束語

在全球倡導節能環保、低碳生活的今天，LED燈具越來越受到人們的青睞，而外形漂亮、散熱良好、色彩豐富、安全可靠的大功率LED照明燈具也將為人們豐富多彩的生活增添一分光彩。

[1]張淑芳，方亮，付光宗等.硅脂導熱涂層改善LED散熱性能的研究[J].材料導報，2007,21（zA）

[2]房海明.LED散熱模塊熱傳材料介紹[EB/OL].（2010-05-30）[2015-10-13].www.china-led.net.

[3]Richard-Wen LED散熱器的工藝[EB/OL].（2013-05-10）[2015-10-13].http://wenku.baidu.com.

鄒親勝（1975-），男，漢族，湖南新化人，工程碩士，湖北楚驥科技有限公司技術總監，從事半導體照明設計與應用15年；

金超（1986-），男，漢族，安徽樅陽人，碩士研究生，湖北楚驥科技有限公司研發經理，從事半導體照明產品開發與應用8年。