環境溫度及風速對LED照明產品散熱的影響分析

陳 飛，李 虎，代高林，陳 亮

（深圳創碩光業科技有限公司，廣東深圳 518000）

LED 在照明領域的使用越來越廣泛，由于LED照明產品本身發熱量較大，且屬于溫度敏感元件，溫度升高會影響LED 照明產品的光效、光色（波長）、色溫等關鍵參數指標以及工作可靠性，因此，散熱設計是LED 照明產品開發的關鍵技術之一。

1 熱仿真模型

文章采用的熱物理環境模擬仿真的實驗條件模型如圖1所示。熱環境實驗仿真實驗模型條件如下：環境溫度25.0℃；熱輻射背景溫度25.0℃；LED 熱源模型用優質紫銅[導熱系數：398W/（m·K）]圓柱模塊替代；LED 基座為鋁材，外圓柱面也必須與散熱器內圓柱面充分貼合；另外，圖1（f）和（g）產品蓋體材料全部設計為硬質塑料，導熱系數均為0.3W/（m·K）。

圖1 散熱器模型

2 環境溫度對戶外大功率LED照明產品散熱能力的影響

在熱模擬仿真模型中改變材料發射率和散熱器結構進行熱模擬仿真實驗，通過分析實驗數據可知：

（1）當產品的材料發射率本身為0時，就不需要考慮熱輻射對LED 照明產品散熱產生的影響。隨著室外環境溫度持續地升高，室內外空氣溫度的分布性質都會相應發生變化，從而引起地表熱對流，降低了室外傳熱系數。目前對較高功率下的白光LED 的光電轉換效率（Wall-Plug-Efficiency WPE）的估算方法以及準確度，還沒有一個較為良好且高效率的方法可以對其進行估算。目前僅有大約15%～25%的光輸入功率會轉化成為能源，而其余的則可能會被轉換成光熱能。由于LED 晶片的尺寸很薄，因此，會使高功率的LED 芯片的每個晶片在單位面積上產生的發熱量（發熱密度）變得較高，這也使得LED 芯片的每個晶片的內部交界面上的溫度值（JunCtion Temperature）提升較大，較容易造成晶片的過熱老化問題，使得LED 整體的亮度有得降低，其中以紅光模組的發光亮度衰減得最為明顯。

（2）照明產品外表面輻射換熱量隨著環境溫度的升高而逐漸增大，使輻射的換熱能力加強，輻射換熱量占熱源總熱量的比例增加，如圖2所示。

圖2 輻射換熱量占熱源總熱量的比例

隨著環境溫度的升高，輻射換熱量會逐漸增加，這是因為輻射換熱量和熱源及冷源絕對溫度的4次方的差值成正比。例如，一個物體表面積為A1(m2），表面溫度為T1（K）時，表面的熱發射率為ε1，放置在一個表面絕對溫度為T2（K）的空間中，則該物體和這個空間表面之間的輻射換熱量Q（K）可由式（1）計算而得。

式（1）中，ε1σA1沒有變化，若T1和T2同時增加，那么Q必須增加。所以熱平衡的結果就是輻射換熱量Q增加，T1和T2的差值△T減小。隨著環境溫度的升高，△T減小得越明顯。同時，由于輻射換熱量的增強，導致了△T減小，因此光源產品表面對流傳熱量將會減少。

3 環境風速對LED照明產品散熱的影響

散熱器1的熱仿真模型如圖3所示，環境模型中的風向依次變化為水平向右、豎直向上和豎直向下，風速的變化為0～1.50 m/s 時。從圖3 可以看出，風速對LED 照明產品的散熱性能影響較大。因此，對LED 照明產品進行熱測試時，環境風速最好控制在最大風速為0.1m/s 內，特別是在垂直方向，盡量減少環境風速的影響。

圖3 不同的環境風向和風速對LED照明產品散熱的影響

從圖3中還可以看出，LED 照明產品的溫度變化速度隨著風速的增加而變得逐漸放緩。其根本原因是隨著風速的增加，對流及輻射的復合換熱的熱阻逐漸降低，此時LED 照明產品的熱阻主要是由LED 光源到照明產品的外表面之間的導熱熱阻決定的，因此，在這個時候再增大風速，對提高散熱的效果已然不明顯。反之，如果自然對流冷卻的LED 照亮產品外表面對流與熱輻射復合換熱時的熱阻較大，而LED 光源到照明產品的外表面之間的導熱熱阻較小時，此時，增加照明產品導熱材料的導熱性對LED 照明產品的散熱效果的提升也不會很明顯。

4 其他因素對散熱影響

與傳統電子產品密封不同，大多數的電子產品上都設置有散熱通氣口，所以大多數的電子產品可以直接通過與空氣對流傳熱，達到散熱的目的。但LED照明產品采用的密封技術，限制了自身的散熱通力。在照明領域中有些散熱部件，例如接頭等，必須嚴格符合傳統燈具的尺寸規格（如MR16）和重量。因此，散熱模塊結構的設計就會進一步受到限制。一些新技術也開始應用于LED 照明產品的設計中，如Par38，采用獨特的導熱鋁散熱材料與散熱設計，確保了燈具的高散熱效果，相較于傳統的LED 照明產品，Par38可以節能高達60%。

5 結束語

本文采用熱仿真的方法分析了環境溫度及風速對LED 照明產品散熱效果的影響。根據結果可知，一般情況下，對于自然對流冷卻的LED 照明產品，其熱測試可以在某一環境溫度（如23.0℃ ）下進行，產品在其他環境溫度（如 45.0℃，用于模擬產品實際使用 環境的溫度）下各點的溫度可以通過扣除測試時的環境溫度與其他環境溫度的差值來近似計算。但自然對流冷卻的LED 照明產品的熱測試最好在無對流風的環境中進行，或者在無對流風試驗箱內進行，以減小環境風速對其散熱的影響。由于任何結果都有產生的原因，所以分析原因是改善結果的根本途徑。熱量傳遞只有 3 種方式，理論上較為簡單，但是3 種傳熱方式交叉在一起，分析起來又有困難。借助熱仿真軟件，將以不同方式傳遞的熱量分開來進行分析，是電子產品熱分析的一個重要方法，也是電子產品熱仿真相對于熱測試的一個很大優勢。