LED灯具的热传导计算模型-EDA365

Luxeon 大功率LED在散热性能方面大大地优于普通的小功率LED，电通道和热通道分离开，它的LED芯片都连接在一个金属的嵌片上，散热性能得到很大的改善。

但是，大功率LED用于特种灯具，或用于恶劣环境使用的灯具，这些灯具的外壳防护等级一般都在IP65以上，如果外壳为非金属（如塑胶）材料，尽管LED连接上了铝基板（MCPCB），但铝基板上的热量如果不能被有效地传导至外壳表面，则聚集的热量会使铝基板的温度急剧上升，导致温度过高，增加了LED失效的可能性，造成LED光衰加剧，寿命缩短。

理论上计算灯具散热的情况，灯具的导热理论有许多困难，主要的困难是传导和对流同时对热传导起着作用，而对流是在密闭空腔内的对流，边界条件十分复杂；传导也是要通过多层导热物质、多层界面，截面积通常又是不等的，导致热流线分布的情况很难在计算之前就能通过分析得到。

由于灯具是在开启后逐渐升温，最后达到热稳定状态，也就是说，热稳定状态时各点的温度最高，所以灯具的散热计算一般只考虑稳态的情况，瞬态的温度分布情况并不重要。对于稳态含热源在各

向同性的单一介质中的导热服从Poisson方程[1]：

式中为介质的导热系数，为热源的发热功率。

由于灯具的结构是多种介质，所以在实际计算中，必须对每一种介质逐一求解上式，计算灯具内的温度场分布是十分困难，而且是没有必要的。实际上，我们所关心的是某些部位的温度是否在可以容忍的温度范围之内，只要计算出这些部位在达到热稳定时的温度即可。

本文对效等电路的热阻算法进行了探讨，热阻算法的好处是无需知道确切的环境温度，也不必求解灯具内的温度场，直接计算灯具内关注点的温升，困难是热流线的分布必须通过分析而不是计算得到，而这一过程往往又是很复杂的。

下面以一个实例的计算来说明等效电路的热阻算法。

灯具要求的基本结构如下图，LED处于密闭的塑胶外壳内，右侧的绝热层较厚，比较起其他部分导热，其导热基本可以忽略不计，热量主要通过支撑架、塑胶外壳、橡胶外套，然后通过外部空气对流散到空气中。

1．简化模型：
（1）铝基板视为一个等温热源；
（2）支撑板与与铝基板之间有一个附加导热层；
（3）由于塑胶的热导率比空气的热导率高得多，所以，空气的导热可以忽略不计；
（4）支撑板与塑胶外壳之间有一层附加导热层
（5）塑胶外壳与橡胶外皮之间为紧密接触
（6）铝基板与外壳之间的对流导热可以忽略不计[2]
所以总热阻

其中
为支撑板与铝基板之间的附加导热层的热阻；
为支撑板的热阻；
为散热板与塑胶外壳之间的附加导热层的热阻；
塑胶外壳的热阻；
为橡胶外皮的热阻；
为橡胶外皮处于空气中对流换热的热阻[1]。

下表是两种结构温度试验与理论计算结果对照

	支撑架结构		电解铜散热板结构
	环境温度（℃）	铝基板温度（℃）	环境温度（℃）	铝基板温度（℃）
理论计算	40	126	40	64.6
试验	39.5	127.3	39.8	72.3

3．讨论

从上面计算可以看出，采用等效于电路的热阻计算法，选取合适的简化模型，对于不同热传导结构中，温度关注点的温升进行计算，可以在开模具之前判断热传导结构的优劣，同时可以根据各部分热阻的计算结果判断主要的结构改进方向，这对于指导和改进结构设计具有实际的意义。

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LED灯具的热传导计算模型

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