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摘要：作为新一代的照明光源，大功率发光二极管LED具有节能、环保、发光效率高、响应速度快，寿命长等突出优点，但LED的发光效率约为20%，剩下的80%的能量都转换成热量，热量使大功率LED的温度上升，导致工作电压减小，光强减小，光波长变长，严重影响LED的可靠性与使用寿命。LED灯具一般由多颗点光源组成，为了保证器件正常工作，对灯具散热管理很重要，良好的散热设计是灯具质量及可靠性的保障。本文介绍了LED灯具的基本特点；从热力学的角度，简单分析了LED热传导的过程，热对流与热辐射机理；探讨了影响LED灯具可靠性的因素。
关键词：LED灯具；散热；可靠性分析
1关于LED灯具
LED灯具的关键技术包括LED光源、驱动电源、电路结构、散热管理和配光，简单地说，就是光（透镜的配光）、色（光的品质）、电（电路设计）、热（散热设计）四部分，而把这四大功能相结合的就是结构的设计。LED灯具通常由不同的部件通过结构设计拼装成型，LED光源通过散热器上的螺丝孔位或弹簧卡扣与灯具外壳连接固定，完成机械结构连接；能量接口采用连接导线完成电源驱动器与光源的连通，灯具通电后，半导体发出的光通过透镜照射到工作面上。光源模块是一个集合配光、散热及防护等级功能精心设计的组合，是灯具的核心部分；在配光方面，采用二次光学透镜设计，可以实现所需要的各种照明效果；在散热方面，采用模块化设计，光源热分散了，通过优化散热设计，可以大大降低芯片结温，提高照明效率。
图1LED热传递过程
2LED灯的散热分析
2.1大功率LED灯的产热及散热过程
LED灯的发热源：成品LED的光源就是LED的发热源，LED输入功率的70%左右将以热量的形式发散出去。从照明原理及其基本架构来看，可概括为“一源两面”。“一源”指的是LED的光源，用来充当照明所需的光输出；“两面”分别指发光面和发热面。导热器件及均热器件：导热器件及均热器件通常是指PCB板子上的金属（一般为铝材质的）部分，常被称作“一次器件”。导热器件和均热器件的主要功能是将LED在放光过程中产生的热能导出来，同时将所有热点的热量均匀化，从而提高整体的散热效率。散热器件：大功率和中等功率的LED照明灯的散热器件主要由铝材构成，通常被称作“二次器件”。散热器件采用专门的铸造工艺，例如利用压铸、挤压、锻造以及表面涂覆等工艺制造，热量最终在空气对流的作用下被发散掉。此外，超大功率的LED灯还可以应用热管散热器技术来增强散热能力。
2.2大功率LED灯的散热要求
具有较强的导热和均热性能：散热器件的总体热阻是由LED灯具所有的接触面逐层累计得到的，LED吸热面中的热传导阻抗是总体热阻中不可忽略的一部分。其与LED灯具之间的热阻抗越小，则越容易快速地吸收LED产生的热能，同时将这部分热能高效率地传导至翅片上。总体上具有较小的热阻抗：为有效提升导热器件或散热器件的吸热能力，应将导热器件或散热器件尽可能地与LED模块紧密结合，甚至达到零空隙。但现实中导热器件或散热器件的吸热面与LED模块之间总存在很小的空隙。因此，应选择使用较小热阻抗、较强适应性的材料来填充空隙，这种材料就是我们常用的导热膏，其能有效减少接触热阻，从而减小整体热阻抗、提高散热效率。热量发散迅速：加工时，将散热器件的吸热面与散热翅片加工成一个整体，从而将吸收到的热量迅速传送至散热翅片部分发散出去。此外，散热翅片的间隙应与空气流动方向相一致，以防止空气气流遇障碍形成漩涡造成热气滞留。
3LED路灯的可靠性
LED的寿命长，目前理论上可以达到10万h之久，但是由于受到LED驱动电源和其他零固件寿命的影响，从而使得LED灯具系统的寿命达不到10万h。灯具的可靠性可分为光源模块的可靠性，电源的可靠性，以及灯具材料结构的可靠性。本节通过散热管理和防护等级讨论灯具的可靠性。
3.1散热管理
LED灯具故障大约70%来自于LED芯片温度过高，在负载为额定功率的一半的情况下，温度每升高20℃，故障率就上升一倍，结温的升高会导致器件各方面性能的变化与衰减，散热管理的最终目标是降低LED芯片结温，一般来讲，结温要保持在125℃以下以避免失效，从而延长LED的使用寿命。对于LED光源模块，热传导主要发生在LED芯片与基板、散热器之间，热传导的效率决定于热流通道的热阻，必须设计一个热流通道将LED芯片所发出的热能传递到散热器上。通过前面的分析，通过减小接触界面的热阻，可以大大提高传热效率。当热量从芯片传导出来至散热器与灯具外壳，散热器和灯具对空气的散热，主要由热对流和热辐射机制决定。通过优化散热器设计，达到最大的与空气对流换热效率；对散热器做表面处理，加强辐射散热。散热管理的最终目标是降低LED芯片结温，最终提高LED灯具的可靠性。
3.2防护等级
LED芯片十分脆弱，细微的划伤就可能伤及电极，从而使得器件失效。如果长期暴露在空气中的芯片会被氧化。芯片通过封装，可以保护发光芯片不受机械、热、潮湿及其他外部影响，达到一次防护目的。对于室内灯具，防护等级要求较低，达到灯具的安全规定要求。对于户外灯具，环境多变，对LED灯具的耐候性要求高，灯具材料要求防高低温，抗紫外线辐射，光源模块的防护等级高。电源驱动通过灌注耐寒、耐高温、导热性好、绝缘性好、阻燃性好的防水胶，将整个LED灯具的能量接口系统处于高防护状态，保证了长期使用的可靠性。根据不同使用场合设计LED灯具结构，通过良好的散热管理和高防护级别，灯具整体的可靠性大大提高，寿命使用延长，最大的获得新技术带来的便利。
4结语
发光二极管即LED是当前应用最普遍的新型冷光源之一，它本身具有高效节能、使用寿命长、对环境几乎不产生污染等优点，在各大领域得到了非常广泛的应用，并成为了21世纪发展前景最广阔的光源之一。但是对于功率较大的LED来说，其本身在发光的过程中会产生过多的热量，如果这部分热量无法及时发散，则会很大程度地损坏LED。
参考文献
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