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LED散热技术浅谈

LED具有效率高、可靠性好、寿命长、功耗低等优点,随着技术的不断进步,高功率LED光源在前照灯的应用越来越普遍。但LED的性能指标和其结温高度相关,温度过高,将导致LED光效显著降低、光衰严重、荧光粉加速老化、寿命降低、波长色温变化、色坐标漂移等一系列问题,影响灯具的正常工作。


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某型号红光LED随着结温升高,光通量输出显著降低(φV表示输出光通量)


因此,良好的热管理设计是LED汽车前照灯的重要指标。尤其是LED在向着高能效、高亮度、高电流密度、小封装尺寸的方向发展,矩阵式LED广泛使用,对散热系统提出了更高的挑战。


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三星Pixcell LED  15.375 mm x 2.735 mm范围内集成100颗LED芯片


LED光源与卤素灯泡的发热原理存在本质不同。LED的光效约为20%,75%左右的热量在焊点处以热传导的方式传导到基板上,然后散发出去。


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改善LED灯具的散热性能,主要有以下几个方面考虑:
1.改进LED芯片封装结构,提高从LED芯片到外部散热机构的散热性能;
2.开发热导率更高的新材料,降低从LED芯片到环境的热阻;

3.设计更优的散热方案,提高LED灯具散热性能。


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LED组件散热模型


散热方案按照散热方式可分为主动散热和被动散热,主动散热包括风冷散热(风扇)、液冷散热、 热管散热等;被动散热包括散热器、导热硅脂、导热胶、导热贴、石墨等。


车灯行业目前应用较广泛的主要有两种:第一种是被动散热,主要采用散热器加导热硅脂等, 第二种是主动散热,在散热器的基础上增加风扇散热。对于LED车灯,良好的热管理取决于LED热阻、LED 贴片技术、线路板散热性能、导热脂性能、 散热器设计、风扇性能等。


对于低功率LED(驱动电流150mA以下),PCB基板采用环氧树脂板,即可满足散热要求,无需额外散热器。


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环氧树脂板


对于中功率LED(驱动电流150-300mA)可能需采用铝基板散热,一般无需额外的散热器。


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铝基板


对于高功率LED(驱动电流300mA)以上,PCB基板采用铝基板、铜基板设置陶瓷基板,同时增加散热器、风扇,以满足散热要求。


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铜基板


需要注意的是,线路板与散热器之间的界面热阻较大,因为两者界面的表面在微观上粗糙不平,其实际接触面积仅占1%~2%,其余部分充满空气孔隙,不利于热量传递。因此更优的散热器连接技术对热量管理起着关键性作用。这时,就需要选择合适的导热脂或导热贴,能有效降低系统热阻,并能减少LED前照灯散热器的质量。导热脂种类较多,按是否有黏性可分为导热胶和导热硅脂。导热胶有黏性,黏连性较好,导热系数较低;导热硅脂无黏连性,导热系数较高。导热贴安装方便,导热系数一般。


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导热硅脂 


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导热贴

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散热器+导热贴


目前市场上的大功率LED基本上都采用翅片式散热器的被动散热方法。通过在基础表面上扩展表面,从而有效增加换热面积,然后通过自然对流的方式将热量散发出去。散热器的主要参数包含长度、宽度、高度、肋片厚度、肋片间距以及肋片高度等。散热器的基座与热源直接接触,将热源的热量传导至散热器肋片,多个间隔的肋片扩大了与空气环境的接触面积,增强了对流与辐射的能力,提高了热量从热源传递至热沉中的效率。散热器肋片的厚度、肋片间距和肋片高度是决定散热器形状以及展开面积的主要因素,也是决定散热效率的直接因子。因此,合理设计散热器,就是优化散热器基座厚度、肋片厚度、肋片间距以及肋片高度等的尺寸,平衡这些变量,以得到最优组合,提高散热器的性能。为了更好地空气流动,翅片应处于垂直方向(有利于热空气的上升)。


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随着高像素ADB、DLP技术的应用,被动散热已经不能满足系统的散热要求,风扇作为最常用的主动散热方式,在车灯上的应用越来越多。风扇一般分为轴向风扇和径向风扇。


图片径向风扇

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轴向风扇


径向风扇散热效果更好,但价格更贵。空气通道的设计会显著提高风扇的效果,同时,注意预留风扇进风口的空间。


使用风扇会减少单纯增加散热器重量以达到良好的散热效果,降低整灯重量,但风扇的可靠性、噪音、寿命、成本的支增加是需要关注的问题。


值得注意的是,使用风扇会显著改善灯具内的空气流动和热量分布,对灯具雾气有较大的改善。


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