灯具结构及散热设计探讨与实用解决方案.docx
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灯具结构及散热设计探讨与实用解决方案
灯具结构及散热设计探讨与实用解决方案
针对世界金融风暴的应对，中央发改委拿出4万亿连同地方财政的支持，预计将有十多万亿的资金投入到国家交通、扶持企业、完善基础建设上。
最近国家科技部在全国启动“十城万盏”LED路灯半导体照明应用工程，在这股强劲东风下，一贯得到政府支持的半导体照明产业，将是一个大发展的契机。
许多企业都看好这个朝阳产业的发展空间，特别是半导体户外照明的明显节能优势。
于是乎近2年一哄而上的诸多企业，在还不甚了解半导体道路照明制作的特点下，模拟、仿造、沿着现今的常规照明路灯多种“蛇头”形状制作，一时间“百家争鸣，百花齐放”的产品纷纷推向市场。
经过这两年上路实验情况的检验，大部分的产品均存在不同程度的问题。
问题出现在：
1. 由于对LED光源工作条件的要求不甚了解，造成光衰减严重甚至死灯；2. 对道路照明要求感悟不足，科学性点光源光学配光难点及对色温在道路照明中的重要性的忽略，易造成眩光、斑马效益和在空气污染严重、下雨有雾天气的环境中，造成灯亮地不够亮的现象；3. 对保证LED工作条件和对电源技术性的认知程度不足，造成产品在电源上的故障层出不穷；4. 对当今LED路灯实用性道路的应用概念不清，盲目的与大功率气体放电灯“媲美”，不计成本的制作超大功率LED路灯，造成不切实际的价格昂贵的路灯产品，难以推广；5. 对道路照明要求模糊，实际使用维护的欠考虑，造成直接使用业主的抵制。
本人针对以上问题与大家一起讨论解决方案对LED光源的工作环境这个问题的讨论，需了解LED的基本常识：
发光二极管其核心是PN结，一次它具有一般P—N结的I—N特性，即正向导通，反向截止，击穿特性。
此外，在一定条件下，它还具有发光特性。
在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P去注入N区，进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，其现今大功率LED发光效率约为30%，70%将转换为热能，需要为其做散热处理。
如图1所示。
图1
经测试，发光二极管可正常工作的环境温度应使其结温<85℃，高于此温度范围
图2
效率将大大降低，甚至于烧毁。
如图2所示
从测试数据图示表可以清晰的看出LED的工作环境温度对其寿命的直接影响的重要性。
特别值得一提的是：
对散热材料的热平衡速度要求重视度不够，造成光源的热得不到有效的处理引起光衰减严重。
一般功率器件（如电源IC）的散热计算中，只要结温小于最大允许值（一般是125℃）就可以了。
但在大功率LED散热设计中，其结温TJ要求比125℃低得多。
其原因是TJ对LED的出光率及寿命有较大影响：
TJ越高会使LED的出光率越低，寿命越短。
TJ=50℃时，寿命为90000小时；TJ=80℃时，寿命降到34000小时；TJ=115℃时，其寿命只有13000小时了；TJ在散热设计中要提出最大允许结温值TJmax,实际的结温值TJ应小于或等于要求的TJmax,即TJ≤TJmax。
大功率LED路灯的散热路径如图3所示：
在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。
若管芯传导到散热垫底面的热阻为RJC（LED的热阻）、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气的热阻为RBA,则从管芯的PN结TJ传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为：
RJA=RJC+RCB+RBA热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。
可以通过试验、计算得出TJ方法是基于用某种PCB及一定散热面积。
如果计算出来的TJ小于要求（或等于）TJmax，则可认为选择的PCB及面积合适；若计算来的TJ大于要求的TJmax，则要更换散热性能更好的PCB，或者增加散热器的散热面积。
在室温条件下测得的（室温一般15～30℃）：
若LED灯使用的环境温度TA大于室温时，则实际的TJ要比在室温测量后计算的TJ要高，若测试时在恒温箱中进行，其温度调到使用时最高环境温度，为最佳。
PCB是水平安装还是垂直安装，其散热条件也不同，灯具的外壳材料、尺寸及有无散热孔对散热也有影响。
因此，在设计时要留有余地。
图4
A．目前散热器的状况是怎样的？
什么样材质的散热器散热效果最好？
什么样的设计最适合空气对流？
这是目前LED灯具散热方面比较突出的三个问题。
多篇文章中都阐述了散热是靠面积而不是靠体积的大小，许多企业都了解个中道理，于是诸多壳体采用了多层翅片散热（如图4），但往往忽略了翅片积尘和自洁性差的问题，灯具使用一段时间后灯壳上积累的灰尘容易结成污垢，影响了灯具的散热，从而影响了灯具的寿命。
材料分析先从金属的热传递系数表来分析（如表1）基本单位为W/m•K，即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文时的热传导功率。
热传导系数越大，表示材料散热特性越好。
影响物质导热系数的因素很多，主要为物质的种类和温度、湿度、密度有关。
表1，金属热传递系数表
从上表看，各种材料都有自己的优缺点
金、银：
热传导系数比较高，但价格太贵；纯铜：
散热效果侧次之，但已经算是非常优秀的了，缺点是价格高，重量重，不耐腐蚀；铝合金：
散热效果比较优秀，重量轻，适合做风冷散热器。
现在大多数散热器都是采用轻盈坚固的铝材料制作的，但若对比铝材散热器和纯铜散热器可以发现，纯铜散热器导热性能比铝快得多，但散热没有铝快，且易出现老化现象。
于是我们不凡尝试将铜的快速导热和铝的快速散热的优点结合起来，采用铜铝结合的方法来做散热器（如图5所示）单靠铝材的散热速率是不够的，敷上薄铜面就形同一滴水在一平面上迅速达到平面的平衡扩散，通过整个面的热传导至散热壳体，将会有助于散热的效果。
散热设计方法目前LED户外灯具的散热一般都是靠阵列的鳍片来散热，这种方式往往忽略了防尘和积尘的问题，导致散热效果差。
因此应从在自然条件下规避积尘的最小化，不同方向风和雨的自然冲刷可易性和清除灰尘的粘附性。
保证热沉壳体的散热效果不受恶劣环境的影响，散热通道的畅通，做到真正的长寿命。
适合空气对流的设计方式大家共同来探讨一个散热设计方式：
散热是靠面积的道理显而易见，是否可以将散热面做成柱状或多面形锥体（如图6所示）
图5
材质：
铝合金散热面积：
散热面积有两部分组成，裸露在空气中的基板面积及针状翅片面积；基板面积约为（249+348）/2*（407-293）=34029mm2=0.034029m2翅片散热面积约为（9.2+12.4）/2*3.*24*64=52115mm2=0.052115m2总的散热面积约为0.034029+0.052=0.086m2根据对流换热公式，估算出温差（即热沉和环境之间的温差）约为：
31.2/0.086/12=30.2度在增加散热面保证散热效果的基础上，解决了不同方向的风和雨的自然冲刷可易性和清除灰尘的粘敷性的问题，保证了热沉壳体的散热效果不受恶劣环境的影响。
特殊散热涂料散热过程分析：
热移动主要有以下三种基本方式（附图7）：
1.热幅射：
由热运动产生，热量以电磁波形式传递。
2.热传导：
温度不同的物体各部分之间或温度不同的各物体之间直接接触时，依靠分子、原子即自由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递的现象3.热对流：
由系统内流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混而产生的热量传递现象称为热对流。
散热涂料时利用热辐射的方式进行散热的
图6
热幅射是什么呢？
是由于原子或分子的热运动放出的电磁波的一种。
物体只要不是绝对零度、必定会有热的幅射。
温度低的时候，会放射长波电磁波（红外线），随着温度的上升也会放出短波电磁波。
也就是说物体一直通过热幅射来散失热量（冷却）幅射率是表示热（红外线）的幅射容易程度的指标。
加在物体上的热量100%幅射的状态表示为「幅射率=1.0（100%）」。
散热涂料的特点：
1.散热涂料能够利用热的幅射，降低基材自身和周围环境温度。
2.从近红外线（0.75~1.5μm）到远红外线（15~100μm），在所有的红外线领域的幅射特性都很优异。
３.从低温到高温（1000℃左右）表现出稳定的散热特性４.可以制作各种彩色涂层。
散热实验结果如图8所示，散热效果测定如图9所示如下图所示、用加热器对铝制散热片（无涂装）与涂装后的散热片加热，测定散热鳍片的平均温度上升情况。
结果如上图所示涂装后的散热片，在各个功率下均显示较低的温度，与无涂覆的铝制散热片相比、表现出更优异的散热特性。
图8散热试验结果
散热效果测定
B．使用导热硅胶、导热硅脂、导热垫等散热材料是否合适？
它们在路灯高温工作环境下的适用寿命多长？
是否有更好的材料来代替？
或者是通过设计减少这些材料的使用。
当散热器表面和芯片表面接触时，存在的很多沟壑或空隙中都是空气（如图10）。
空气的导热能力很差，因此必须用其它物质来降低热阻，否则散热器的性能会大打折扣，甚至无法发挥作用。
导热硅脂是用来填PCB铝基板与散热片之间的空隙的材料的一种，这种材料又称之为热界面材料。
其作用是用来向散热片传导PCB散发出来的热量，使PCB温度保持在一个可以稳定工作的水平，防止PCB因为散热不良而损毁，并延长使用寿命。
导热系数导热系数的单位为W/m•K（或W/m•℃），表示截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文（K=℃+273.15）时的热传导功率。
数值越大，表明该材料的热传递速度越快，导热性能越好。
目前主流导热硅脂的导热系数均大于1W/m•K，优秀的可达到6W/m•K以上，是空气的200倍以上。
但是和铜铝这些金属材料相比，导热硅脂的导热系数只有它们的1/100左右，换而言之，在整个散热系统中，硅脂层其实是散热瓶颈之所在。
对于一个散热系统而言，不仅是散热器的事，导热介质也是很重要的组成部分：
散热系统的总热阻=散热器热阻+导热介质热阻导热硅脂作为我们最常用的导热介质，其重要性不言而喻了，要降低其热阻，一方面取决于产品本身的性能，另一方面取决于对产品的使用。
因此我们要尽量选用那些导热性能好热阻低的导热硅脂，并在使用上多加注意，在保证硅脂完全填充热源和散热器表面空隙前提下，涂抹方式硅脂层尽可能地薄。
寿命问题制作再精良的散热片直接和PCB铝基板接触难免都有空隙出现，而缝隙之间的空气是热的不良导体，会大大阻碍热量从PCB铝基板传导到散热器上。
导热硅脂的作用是填充PCB铝基板与散热片之间的空隙并传导热量。
热传统的导硅脂采用了硅酮混合金属氧化物制作。
但是所有硅脂都存在一个问题，由于硅酮会与混合的填充材料产生分离，造成导热能力大幅度下降，这个就是导热硅脂的使用寿命问题。
我们和有关认识正在研究在热沉材料上进行特殊的陶瓷化处理，直接印制电路，经过这样的优化处理后将会解决散热的导热环节。
C．结构是一体化还是组合式更合理？
或者有更合理的方式以及发展方向从国内现有参与制作LED路灯的企业来看，大部分没有制作过路灯照明的经验，对路灯制作的技术具体要求较模糊，互相参照模仿，以常规传统“蛇头”形状居多（如图11）。
在光学配光和维护要求上与其
常规气体放电灯灯具相比难度较大，特别是直接的使用方业主反应强烈，给应用推广带来了困难。
我从国家电光源检测中心得到的相关信息，在诸多厂家送检产品中就在IP防护这一项目上，绝大多数存在问题，而且意识不到问题的所在，认为我们的产品在水里都浸泡过也没有问题，怎么到检测中心就出问题？
相信也有些产品在使用一段时间暴露出光源腔体存有水气。
我看到许多厂家在检测中心排队送检的产品，感到心痛，很多弯路是可以避免的。
在灯体密封结构上，在密封圈的材料选用上,飞利浦的灯具在这方面就做了专门的研究。
在路灯造型结构设计上，不要跟着传统路灯的模样走。
路灯的功能是要达到道路照明的要求，可以发挥LED光源的任意组合强项，可制作成“变形金刚”的特点，能真正做到“白天观景，夜晚观灯”的城市景观效果（附图12）。
道路照明要求的是；一定的照度和路面均匀度与平均照度，常规照明灯具反射器的缺陷在路面平均照度上难以达到标准要求。
在灯具出光效率的有效利用上，传统路灯的效率标准应≥70％为合格，但实际上有一部分溢散光不能准确地控制在照射面上并且无法利用，造成光污染，有效利用率约50%，而LED路灯的光学配光可以准确控制光线方向，有效利用率达60%以上。
从当今大功率LED路灯点光源及光效的特点来看，要满足道路照明的要求，必须要把有效的光强利用到有效的照明范围，道路照明的灯杆间距基本在30—40m，要保证道路的平均照度要求，其点光源LED灯具配光要使得路面没有斑马效应，需进行相应的二次光学系统配套设计。
以某款灯为例，高质量的大功率LED路灯用模块化配套的二次光学系统可以有效控制路灯照明的平均照度，10米高时为34米×12米近似矩形光斑，光斑形状与均匀度均能满足道路照明要求。
（见附图13二次光学配光）
图12
从以上两点可以看出，只要LED路灯二次光学设计合理，投向目标照射面的有效光通量和传统路灯基本接近。
目前LED路灯的配光技术已经有了很大的发展，有些厂家已经开发出良好的二次配光系统，而不再是单纯依靠光源排列来配光，但综合看，配光还不能做到完全合理，有些在道路内侧的配光较亮，均匀度也能满足要求，但人行道侧环境光的亮度明显不足，SR值明显不符合要求，还是厂家设计人员对道路照明标准的要求理解不够。
LED路灯的色温问题：
目前大功率LED路灯基本上是采用5000K左右所在色温的白光。
作为道路照明光源，视觉感过分阴冷，同时远视时观察能力会下降，在这方面路灯使用单位最有发言权，3000K左右的黄光或暖白光是比较适合道路照明的，因此日光色的LED路灯不适合做路灯使用。
当今LED路灯在产品规格方面缺少统一的技术标准，目前还没有统一的LED路灯生产技术标准，每个厂家按自己的标准生产自己的产品，彼此间是很难通用的，另外LED路灯生产厂家的灯具自成体系，光源电器组装和灯具捆绑在一起，各自不同的工作特性难以维护，维护时必须使用原厂产品。
而高压钠灯由于技术标准的统一，灯具、光源、电器方面通用性较强，不同厂家之间的产品可以互用，从维护角度考虑，这是非常重要，而维护对于路灯管理单位来说则又是重中之重，只有这样才可以及时对故障路灯进行维护，保证完好的亮灯率（上级部门对路灯管理考核中最重要的一项内容），同时大大降低维护成本。
可以说在LED路灯目前的发展状况下，一旦出现故障时，只能整个灯具进行更换，除了高额成本外，而维护的时间也要大大廷长，这对使用单位来说的非常不利的。
对灯具的维护，常规照明灯具要简易的多，可在现场直接更换光源电器，成本也较低。
而当今许多生产厂家的LED路灯，可能厂家认为是免维护的，所以现场的维护就无法进行了，维修方面真正的负担还是交给了生产厂家。
殊不知；造成产品难以推广的瓶颈还是来之于直接使用单位。
针对当今LED路灯应用推广其中的两大难题：
1.维护困难2.大功率LED电源的瓶颈根据这两大难点我个人建议；从安全、维护方便更换，规避大功率电源的质量风险。
模块化组合式设计一定是发展的方向。
做成标准模块化，诸如30w，40w，50w连同适合本功率电源一体化。
不但解决了大功率电源的风险，而且遇到故障换用方便。
单组模块又可以一款灯多用途，可改装为LED隧道灯、LED顶棚灯、LED洗墙灯、LED投光灯、LED隧道灯等，一套方案多款灯具。
（见附图14）我与我的设计团队从这个思路上制作的几款大功率LED路灯（附图15）得到了业内的共鸣散热材料，导热环节和科学化的造型结构设计，在现今大功率LED路灯的制作中，值得大家去感悟。
从LED路灯市场
图14
图15
的置疑甚至排斥，走到了现在的尝试与接纳，我们看到了前景的曙光，但我们还需要一段路要走。
随着大功率LED光效的不断提高和硅基LED日新月异的发展，将根本解决半导体照明光源高价格的瓶颈，让我们共同携起手来摸索与探讨，相信在大家的努力下，用第四代光源做出更好的LED路灯照明灯具，取代高压钠路灯这段路不会很远！
半导体照明是个系统工程，感谢一些企业在半导体照明应用上所做的前期大量工作，为大家提供了前车之鉴和成功经验色温在道路照明中的要求必要性、电源驱动的瓶颈。
点光源的合理配光、人眼视觉角度的灵敏度等许多课题需要重视，下面的时间交给有关的专家来论述。
仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。
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