胡李敏，徐明仲，吴彬青，汪章婉，张 雷，夏 誉，洪梅娟，韩燕华，茹 斌，余岳阳，舒 勇

(杭州华普永明光电股份有限公司，浙江杭州 310015)

引言

发光二极管(LED)作为新一代固态照明光源，早已成为人们关注的焦点[1，2]。与白炽灯和荧光灯相比，LED具有光效高、寿命长、响应快、环保等优点。对于LED灯具，需要集成多个LED以满足所需的照明需求。但是，LED的光电转换效率不高，一般只有部分电能转化为光输出，其余都转化为热能。热量会使LED照明产品的温度上升，缩短LED的使用寿命[3，4]。因此，对于大功率的LED照明产品，其散热问题是关键。

热量从LED芯片产生，通过热辐射、热传导、热对流三种方式进行传递。LED自身没有红外线、紫外线，因此没有辐射散热功能，主要通过传导和对流两种途径。一般来说，LED灯具设有散热器，散热器是散热的主要媒介。LED产生的热能传导到散热器的表面，散热器吸收热量后通过对流的方式将热量散发掉。在对流散热的过程中，散热面积会影响散热效果。因此，LED灯具的散热器背面会设置散热鳍片来增加散热面积，提升散热效果。但是，有些人认为在散热器背面设置鳍片很容易堆积灰尘，从而影响散热效果，应该在散热鳍片上方设置密封盖，防止灰尘堆积。对此，我们持不同的看法，认为设置密封盖对散热的影响更大。以下重点研究灰尘堆积和密封盖对LED灯具温升的影响。

1 理论分析与实验装置

1)散热分析。LED芯片的散热方式主要是传导和对流[5，6]，结温Tj是衡量LED散热性能的重要指标[7，8]。结温的表达式为

Tj=Rja×Pd+Ta

(1)

其中，Pd为耗散的功率，Rja为LED 器件PN结与环境温度的总热阻，Tj、Ta分别为LED 器件PN结的结点温度和器件周围的环境温度，式 (1) 表明，在同样大小的功率下，芯片结温升温越小，LED产品的性能越好。

2)热阻。热阻指的是当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值[9，10]。当热量流过两个相接触的固体的交界面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻，称为接触热阻。LED灯具的热传导路径为：LED→PCB板→散热器→空气/环境，每个环节都存在热阻，热阻越大，传递到下一物质的热量越少，散热效果就越差。

沙尘堆积和密封盖相当于热传导的途径不同，从而导致热阻不同，从原来的“散热器→空气”分别变成了“散热器→沙尘→空气”和“散热器→空气→密封盖→空气”。而沙子的导热系数要比空气的导热系数高10倍左右，所以沙尘的热阻更小，散热效果更好。

3)实验装置。图1是LED灯具温升测试的实验装置图，我们定制了一个整板式LED灯具作为实验样品，整板式LED灯具的散热器为一体化结构，长×宽×高=275 mm×280 mm×39.5 mm，实验样品分别选取6个测试点进行温升测试，并通过引线连接到数据采集器进行数据采集并记录平均值。测试时，首先将样品发光模块点亮，记录测试点的初始温度；经过一段时间后模块达到热稳定(即各测试点的温度变化小于1 ℃/h)后进行数据采集。环境温度设定在10～30 ℃，变化不超过±1 ℃。

图1 LED灯具温升测试实验装置图Fig.1 Diagram of the temperature rise testing of LED lighting fixture

2 实验结果与讨论

2.1 LED灯具在无盖无尘条件下的温升特性

图2是LED灯具在无盖无尘时的测试图，分别测试了160 W、200 W、240 W三种功率的LED灯具温升变化。取每种功率下6个测试点的平均值进行比较，图3是不同功率下LED灯具在无盖无尘条件下温升的平均值对比图。可以看出，160 W、200 W、240 W在无盖无尘条件下的温升分别为44.32 ℃、52.76 ℃、61.36 ℃，LED灯具的功率越大，温升越高。

图2 LED灯具在无盖无尘时的温升测试图Fig.2 Diagram of temperature rise testing of LED lighting fixture without cover and dust

图3 不同功率下LED灯具在无盖无尘条件下温升的平均值对比图Fig.3 The average temperature rise of LED lighting fixture under different powers without cover and dust

图4 LED灯具在有盖无尘时的温升测试图Fig.4 Diagram of temperature rise testing of LED lighting fixture with cover and no dust

2.2 LED灯具在有盖无尘条件下的温升特性

图4是LED灯具在有盖无尘时的温升测试图，同样地，测试了160 W、200 W、240 W三种功率下LED灯具6个测试点的温升变化。图5是不同功率下LED灯具在有盖无尘条件下温升的平均值对比图。可以看出，LED灯具的温升平均值相比无盖无尘条件下的温升均有明显上升，分别增加了42.41 ℃、50.91 ℃、61.05 ℃。这是由于散热器的热量传导到空气之前增加了热阻。散热器的热量会散发到密封盖与散热器之间的空气中，但是这部分空气没有流动性，无法与外部空气交换，所以该部分热量仍要通过密封盖传导到外部环境中，从而进行散热。因此，在LED灯具上设置密封盖使得灯具的散热效果变差。

图5 不同功率下LED灯具在有盖无尘条件下温升的平均值对比图Fig.5 The average temperature rise of LED lighting fixture under different powers with cover and no dust

2.3 LED灯具在无盖有尘条件下的温升特性

户外灯具散热还需要考虑外部环境对其的影响，例如长期使用，会有灰尘等，相对于有密封盖的LED灯具，无密封盖的LED灯具背面的散热鳍片确实更容易堆积灰尘。本实验中，在灯具散热器背部填满沙尘来模拟散热鳍片堆积满灰尘的极端状态。图6是LED灯具在无盖有尘时的温升测试图。同样地，测试了160 W、200 W、240 W三种功率下LED灯具6个测试点的温升变化。图7是不同功率下LED灯具在无盖有尘条件下温升的平均值对比图。可以看出，LED灯具的温升平均值相比无盖无尘条件下的温升也有明显上升，分别增加了15.8 ℃、20.39 ℃、24.06 ℃。这是由于沙尘覆盖在散热器的表面，散热器的热量无法直接传递到空气中，热量需要通过沙尘再传递到空气中，沙尘使得散热的热阻增加了，散热效果变差。

图6 LED灯具在无盖有尘时的温升测试图Fig.6 Diagram of temperature rise testing of LED lighting fixture with dust and no cover

图7 样品被沙尘覆盖在不同功率下温升平均值对比图Fig.7 The average temperature rise of LED lighting fixture under different powers with cover and no dust

2.4 密封盖和沙尘对LED灯具温升影响的比较

从图5和图7可知，密封盖和沙尘均会影响LED灯具散热。图8是LED灯具在不同功率不同条件下温升数据对比图。可知，不同功率下LED灯具的温升相比于无盖无尘环境，在有盖无尘时增加的温升是无盖有尘时增加的温升的2.5倍。比较来看，密封盖比沙尘对灯具散热的影响更大。因为密封盖和沙尘对灯具散热来讲均增加了热阻，散热器无法和外部环境的空气直接接触散热。而沙子的导热系数要比空气的导热系数要高10倍左右，所以虽然散热器表面堆满了沙，仍然可以将大部分热量传给沙子再传递到外部环境中；而有密封盖时，散热器只能把小部分热量传给盖子内部的空气然后再通过密封盖传递到外部空气中，散热效果更差。

图8 LED灯具在不同功率不同条件下温升数据对比图Fig.8 The diagram of the temperature rise of LED lighting fixture under different powers and conditions

3 结论

本文主要研究了LED灯具在不同条件下的温升特性，在LED灯具散热器背部设置密封盖以及堆积沙尘来模拟不同环境，通过比较温升的大小，了解不同环境对LED灯具散热的影响。实验结果表明，设置密封盖时的LED温升比沙尘堆积时的LED温升高很多，相比于无盖无尘的环境，在有盖无尘时增加的温升是无盖有尘时增加的温升的2.5倍，密封盖比沙尘对灯具散热的影响更大。因此，LED灯具背部设置散热鳍片并不需要担心堆积灰尘会影响散热，实际的环境下灰尘也不可能将散热鳍片堆满，所以灰尘对LED灯具散热的影响是较小的。本文建议在实际生产中，LED灯具不要设置密封盖，并且在灯具上可以多开设散热孔增加空气对流，提升散热效果。