浅析大功率LED工矿灯设计

随着全球能源危机的进一步加剧，新型节能、环保、长寿、色彩丰富的LED照明灯具越来越受到人们的喜爱，但是在LED照明灯具的使用过程中，也出现一些问题，如“节能不节钱”、“长寿不长命”以及亮度衰减过快等，这些其实都不是LED的固有问题，而是我们的灯具结构设计得不合理，下面以大功率LED工矿灯为例来分析一下怎样才能设计出结构合理的LED照明灯具。

一、大功率LED工矿灯设计的现状：

现阶段市场上的大功率LED工矿灯大体可分为两大类：一类是整体成型散热结构，另一类是接合型散热结构。从外表来看，这两类散热器的外观设计和工艺都不错，但我们不能仅凭外观来判定其散热效果，必须通过测试分析LED的结温才能了解其散热性能。事实上，大多数 LED 工矿灯的散热设计存在一些问题，主要问题如下：

1.散热翅片面积随意设定，没有定量的概念，而只是凭感觉来设计其面积，这是一个严重的错误。散热翅片的面积不仅影响整个灯具的散热效果，而且影响灯具的重量。

2.散热翅片布置方式不合理，不是以中心对称的方式布置，这不仅影响热量传递的均衡性，而且还会影响铝基板或散热底板的固定效果，从而影响灯具的散热和生产效率。

3.强调热传导环节、忽视对流散热环节，这可能是一个普遍性的问题。厂家考虑了多种措施，如热管、回路热管、添加导热硅脂等[1]，却没有认识到热量最终还得靠灯具的外表面散去。

4.忽视传热的均衡性，这是一个更深层次的问题。如果翅片的温度分布严重不均匀，将会导致其中一部分翅片（温度较低的部分）没有发挥作用或作用很有限。

二、大功率LED工矿灯设计内容

1.光学设计

大功率LED工矿灯的光学设计通常有两种方式：一种是透镜加反光罩；一种是直接用反光罩。大功率LED工矿灯通常采用朗伯型（类圆形）配光，发光角度为 90~120°。光学设计的要点是光损失小、发光均匀，所以反光罩内表面通常采用精细磨砂处理。

2.灯具结构设计

大功率LED工矿灯结构设计的内容包括外观、工艺和散热结构，这三者既相互联系又相互影响，故设计时需综合考虑所使用的材料、成型工艺、装配工艺、表面处理及灯具的使用环境等因素。

（1）外观结构设计

早期设计师们不太关注灯具的外观设计，但随着社会的进步和人们生活水平的提高，灯具的外观结构也越来越受到人们的重视，即所谓的“艺术化”。设计师在进行灯具外观设计的过程中一定要考虑与环境的和谐统一。全球电器巨头飞利浦提出了“只见光不见灯”的理念，这就是灯具设计的更高境界了，当然我们不可能一步到位，但可以朝着这个方向努力。

（2）散热结构设计

灯具的散热结构决定了灯具的寿命，因此散热结构设计是灯具结构设计的重中之重，它不仅仅是灯具散热器的结构设计，而且还包括从发光芯片到散热器的整个散热通道的设计，因此与灯具零部件的成型工艺和装配工艺也息息相关。为了更好的说明散热通道的设计，我们引入热阻的公式，热阻是物体对热量传导的阻碍程度，热阻RT与热量传递的长（厚）度L成正比，与通过热量的截面积 S 成反比，与材料的热导系数λ成反比，即 RT=L/λS；且热阻与电阻串并联的性质一样，整个散热通道的总热阻为：R总=R1+R2+……+Rn，所以在设计灯具散热结构时，可遵循以下的设计原则：

1）结构层越少越好；

2）层的厚度越薄越好；

3）层的面积越大越好；

4）材料的热导系数越大越好；

散热结构设计的核心是散热器的设计，首先是散热器材料的选择，热导系数越大越好同时兼顾机械性能、价格及后加工艺[2]，常采用导热性能更好的6063AL（导热系数201），但是这种材料通常采用挤压成型工艺[3]，对于空间结构比较复杂的散热器不能采用挤压成型的工艺，只能采用煅压成型或压铸成型工艺，而煅压成型工艺成本高且受限条件比较多所以不常使用，而压铸成型使用材料为铝合ADC12（导热系数 96），虽然生产效率高，但模具成本高而且散热效果比挤压成型材料要差，所以要根据具体需要来灵活的设计散热器。

（3）工艺结构设计

灯具的工艺结构除了散热器本身的结构符合成型工艺的要求外，更重要的是要考虑整个灯具的装配工艺，绝大多数的设计师都会考虑到散热器的成型工艺，也会根据成型工艺的要求来设计散热器的结构，但是对于装配工艺就考虑得比较少了，没有考虑一旦装配不好，不但达不到设计的要求，更可能影响整个灯具的寿命，所以良好的装配工艺结构不但有利于散热，而且有利于生产效率的提高以及灯具寿命的提高。

3.电路设计

本文所讲电路设计不包括驱动电源的设计，因为驱动电源一直是 LED 灯具寿命的短板，并且电源的设计专业性比较强，目前国内 LED 灯具企业的驱动电源多以外购为主。电路设计对于LED工矿灯来说，主要是指LED光源线路板设计，由于大功率LED工矿灯的光源数量较多，一般采用串、并联混合电路，在面积有限的PCB板内布置LED光源，除了要考虑安全设计、散热设计外，还要顾及光源的保护，在单颗光源失效后不至于影响其它光源的正常工作。

三、大功率LED工矿灯的应用

大功率 LED 工矿灯与传统的高压钠灯相比综合节能 60%以上，显色指数高，色彩丰富，并且维护成本低，安全可靠，因此广泛应用于工厂、车间、仓库、会展中心、超市、地铁站、航站楼、收费站、加油站、体育馆等地的照明，随着 LED 发光效率的进一步提高，LED工矿灯的应用将更加广泛。

四、结束语

在全球倡导节能环保、低碳生活的今天，LED灯具越来越受到人们的青睐，而外形漂亮、散热良好、色彩丰富、安全可靠的大功率LED照明灯具也将为人们丰富多彩的生活增添一分光彩。

参考文献：

[1]张淑芳，方亮，付光宗等.硅脂导热涂层改善 LED 散热性能的研究[J].材料导报，2007,21（zA）

[2]房海明.LED散热模块热传材料介绍[EB/OL].（2010-05-30）[2015-10-13].www.china-led.net.

[3]Richard-Wen LED 散热器的工艺[EB/OL].（2013-05-10）[2015-10-13].http://wenku.baidu.com.