LED射燈散熱外殼及散熱設計與仿真效果分析

龍宜新

摘要：LED射燈具有低碳、節能、經久耐用等優勢，正在逐步地被普及與發展。現階段，LED射燈光效則相對有限，大量的電能都轉化成熱能，這樣就影響了其照明功能的發揮，影響了照明效率。本文重點分析了LED射燈散熱外殼類型以及散熱設計以及最終的仿真實效。

關鍵詞：LED射燈;散熱外殼;散熱設計;仿真效果

0 ?前言

LED射燈有著自身的結構部件，燈罩、面環、散熱器等，以及其他的配件包括：燈頭針腳、螺絲等，燈具的外殼一般選擇具有防火阻燃功能的材質。燈具的外殼應該選擇特定級別的散熱設計，通常要達到V-2級別。

1 ?LED射燈散熱外殼類型

1.1 塑料外殼加沖壓鋁

鋁合金沖壓件附于鋁基板，整體牢固于外殼，小于3瓦的射燈，外殼應選擇PC材質塑膠，相反，大于5W的射燈則應選擇導熱塑料充當其外殼，其導熱率從1-20范圍變化，然而，其導熱率較高、成本也較大，一般的塑料導熱率只有0.2-0.3，一般來說導熱性能可以用導熱系數來評估，其優勢為：勻稱散熱，防止局部件在高溫下發生形變，質量較輕、輕于鋁材質40-50%，方便加工成型，不用再次加工。

1.2 沖壓鋁外殼

將鋁合金材質作為外殼的沖壓件，此類外殼未能達到理想的散熱效果，然而，其外殼是良好的導體，卻對電源的絕緣性有更高要求，電源則要深入形成絕緣處理，一般適合于小于3W的電源，高于5W的電源很容易出現高溫問題，從而造成燈亮度不夠。

1.3 壓鑄鋁外殼

從外觀上，這一外殼結構獨具優點，而且其質地更優、鑄件尺寸也能達到較高的精度，而且表層有良好的光潔度，強度和硬度都達到理想水平，大小也相對穩定，而且互換性更優，能夠被壓鑄成鋁薄壁復雜的鑄造件。一般來說，壓鑄鋁磨具更耐久使用，可以持續用幾百萬次，而且能達到自動化的目標，然而，對于沖壓金屬件來說其投入較大，適合用在高級射燈內部。

1.4 擠出鋁外殼

如果選擇擠出工藝，散熱外殼的結構與形態方面相對受限，一般為太陽花的形態，當擠出斷開后，則可以對型材實施深加工，其里面所配置的電源必須實施絕緣優化處理，金屬散熱設備內部，擠出鋁能達到理想的散熱成效，而且成型方法也不會對里面的分子構造帶來較嚴重的影響。通常來說，其導熱效率達到壓鑄鋁的兩到三倍。

1.5 導熱陶瓷外殼

在整個的絕緣材質中，導熱陶瓷屬于優良的材質，因為其具有優良的導熱性能，其優勢體現在：耐高溫、抗腐蝕，而且相同條件下，陶瓷散熱器能增加散熱效率，達到金屬的幾十倍。然而，陶瓷的特點就是過于脆弱，使用中很可能被打破，局部可能受損，和塑料對比起來這方面不占優勢。現階段，通常用導熱塑料來取代導熱陶瓷。

1.6 塑包鋁結構外殼

對鋁合金進行深入加工、處理，而且要將其植入注塑模具內，實施注塑處理，塑料能穩妥地包住鋁合金，內部的鋁合金件能通過沖壓、壓鑄等方式來成型。外圍塑料可以選擇導熱性塑料，以此來確保整個射燈達到理想的散熱功能，一般更適合于體積較小、瓦數較大的燈具，更適合于用在球形燈泡內，如果是GUI0射燈一般如果其功率小于6W，則不適合選擇此構造。

2 ?LED射燈的散熱設計

LED射燈散熱設計的根本目標在于當使用溫度達到一個頂點時，常規運行環境下，LED燈即便長時間點亮，其芯片的溫度極值也能控制在節溫以下，這一射燈的LED選擇了高光效封裝成3030的LED，型號：GW PSLMS1.EC-GRGT-5R8T-1，結溫：125攝氏度，同時，對電源的重要元件、器件，例如：芯片也提出了特殊的規定和要求，需要其工作溫度在100度以下，圍繞上述規定來合理地設計射燈的散熱零部件，參照設計規則來構造出一個散熱器的大致模型，再參照現實所運用的各類材料來形成一個散熱模型，具體可以借助通過EFD軟件來對結果加以模擬，具體的設計參數如下：

第一，塑膠外殼+沖壓鋁外殼。可以選擇電路板、導熱硅膠、沖壓鋁、導熱硅膠、塑膠外殼。散熱器熱阻為：如果為普通塑料，應為0.3W/mk，導熱塑料：1-20W/mk，沖壓鋁的熱阻：230W/mk。其優勢：外觀形狀十分漂亮，能發揮散熱功能，兩類材料有效融合能增加一層導熱通道，然而，其散熱效果則一般。

第二，沖壓鋁外殼。主要選擇電路板、導熱硅膠、沖壓鋁進行散熱，其中沖壓鋁的熱阻為：230W/mk，其優勢為：能更好的散熱，不足在于：厚度較厚無法有效地儲能，難以形成復雜的外形。

第三，壓鑄鋁外殼。主要選擇電路板、壓鑄鋁作為散熱通道，其熱阻為：96W/mk，優點體現在：理想的導熱性、而且輔助特定的造型設計，其不足在于：內部鋁合金量太大，需要較多的投入，重量較重。

第四，擠出鋁外殼。主要將電路板、導熱硅膠等作為散熱通道，其熱阻為：160W/mk，其優勢為：良好的導熱性能，而且外形較為漂亮，不足之處：因為擠出工藝的需求，只可以形成單方面的構造，整體的設計性能則較為有限。

第五，導熱陶瓷外殼。主要通過電路板、導熱硅膠、導熱陶瓷等來散熱，其熱阻為：29w/mk，能鑄造出特定的造型，不足之處在于：其造型相對簡單、然而，成本相對較高，可能碎裂，多采用和COB綁定基板。

第六，注塑包鋁外殼。主要通過電路板、塑包鋁外殼來散熱，其優勢體現在：外殼十分漂亮、精致，有著理想的導熱性能，而且內部鑲嵌鋁層能參照需要來鑲嵌不同形態的鋁合金。這一模具有著很高的成本，適合用在大于7W的燈具。

通過以上不同外殼射燈散熱加以對比，能夠看到：數值模擬法可以用于研究LED燈是否達到理想的散熱水平，以數值模擬的方式能最終明確散熱器的最理想設計模式：肋厚度應達到1.0mm，最合理的肋片配設數量應達到12片，從而使得散熱器的構造、功能等得以優化，同時，外部環境溫度的不斷浮動也將極大地影響LED燈芯片結溫，實際在設計LED燈時，必須將環境的影響納入考慮范圍。

3 ?仿真效果分析

如果外部環境溫度達到25度，對應的LED燈的管腳則達到一個運行溫度，通常達到88度，然而，LED燈具所處環境的最高溫度達到45攝氏度，在這種情況下LED管腳的運行溫度達到108度，相對于之前的溫度下降了十七攝氏度，這就意味著此燈的散熱達到了一個理想的狀態，可以維持LED的常規、安全運行，最后可以選擇多路溫度巡檢設備來圍繞實物展開檢測，所測出的射燈的管腳溫度只有九十度，鋁基板的溫度則達到88.24攝氏度，功率電感溫度也發生了變化，變成了98.53度，通過測試所得出的數據能看出：不同射燈的重要的發熱部件、元件等，溫度都可以達到規定的標準和要求，這就意味著散熱器達到了理想的結構設計，適合燈具的使用需求。

4 ?結語

通過以上研究能得出：在散熱方面，小功率LED等正在逐漸走向成熟，此類射燈也在大規模地運用于不同的場地、場景與場合，然而，LED射燈無論是自身的發展還是推廣應用依然有大量的問題出現，其中最為重要、棘手的問題在于：怎樣能讓LED射燈更好地散熱，以及怎樣達到LED射燈逐步走向模塊化、互換性，并延長其使用周期，確保其能折射出高亮光，而且能被有效地操作控制，從而發揮LED燈應有的功能則十分關鍵。

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