摘要：由于LED在工作的时候会产生大量热量，而随着LED不断朝着模组化、智能化的方向发展，大功率LED模组的设计问题成为了行业的研究重点。文章从封装结构散热和辅助散热两方面对目前的LED热管理技术进行了综述，并提出了一种适用于大功率LED模组的热设计方案。通过模拟分析发现，该模组设计方案能充分匹配当前灯珠的散热要求，而且会使每流明的成本有较大幅度地下降。

　　关键词：LED模组；大功率；FLOEFD模拟；封装结构散热；辅助散热
 

　　随着LED（发光二极管）的功率、发光强度和发光效率大幅度提高，LED作为新型照明光源在市场中的份额逐渐提高，给现代社会生活质量的提高带来了不可估量的影响，正在引发一场全球照明领域的革命。

　　随着LED芯片技术日趋成熟，LED光效越来越高，相对地灯珠的发热量也降低了。市面上的LED模组多数都是20W左右，散热器出现较大的散热能力盈余，而且单个模组的光通量也逐渐缺乏竞争力。设计新的光学模组（50W）能够充分匹配当前灯珠的散热要求，而且会使每流明的成本有较大幅度的下降。

　　1散热方案设计

　　1.1散热目标

　　散热器应满足功率为50W的LED模组的散热需求（使25℃环境下灯珠结点温度Tj＜90℃）。

　　1.2散热方式

　　利用空气自然对流换热，采用热管加翅片组合方式加强对流散热能力。

　　1.3散热结构设计

　　图1散热结构设计流程图

　　1.4光通量及功率计算

　　光通量目标：＞5000lm；

　　光效目标：＞100lm/W；

　　故灯珠选用欧司朗的OSLON SQUARE。

　　根据提供的规格书确认LED灯珠信息如下：

　　1.5LED灯珠信息

　　灯珠类型：OSLON SQUARE

　　亮度等级：MU

　　灯珠数量：24pcs

　　灯珠工作电流：0.625A

　　灯珠工作电压：3.25V

　　单灯珠功率：2.0W

　　总输出功率：48W

　　检验：MU等级光通量最小值为259lm@700mA

　　整个模组光通量=0.85×259×24=5283lm。

　　模组光效=5283/48=110.1lm/W

　　满足设计目标要求。

　　1.6翅片面积计算

　　根据牛顿冷却定律，散热量为：

　　Q=ηhA（Ts-Ta）

　　式中：

　　h—自然对流换热系数，一般为5W/mK

　　Ta—环境空气温度取值为25℃

　　Ts—翅片表面温度取值为55℃

　　η—翅片组效率，对于铝翅片取值为0.95

　　Q—散热量取值为41W

　　则推算出要求的散热面积，即翅片表面积A应不小于0.288m2。

　　设计翅片大小为110×46mm，片数为29，则翅片表面积：

　　A=29×0.11×0.046×2=0.293m2＞0.288m2。

　　满足计算要求。

　　1.7散热器外观尺寸设计

　　设计散热大体外观尺寸如图2所示：

　　图2散热器外观图

　　1.8灯珠及铝基板

　　考虑到防水胶条位置大小及参考20W模组的铝基板结构，设计的铝基板参数如图3所示：

　　图3灯板尺寸图

　　1.9模组材料组成及其导热系数

　　模组散热所用到的材料及导热系数如表1所示：

　　表1材料物性表

　　零件 材料 导热系数（W/m·K）

　　散热器 AL6063 203

　　PCB覆铜层 Copper 398

　　PCB绝缘层 Filler epoxy 1

　　PCB铝基层 AL6063 203

　　热管 烧结管 15000

　　导热硅脂 Silicone 1.5

　　2散热模拟

　　2.1模拟工具

　　专业热设计软件FloEFD 10，FloEFD 是新一代流体动力学分析的革命性工具，全球唯一完全嵌入三维机械CAD 环境中高度工程化的通用流体传热分析软件，真正实现了仿真分析流程与设计流程的无缝结合，成为从事于流动、换热相关产品开发/设计工程师的高效工具。

　　2.2构建模型

　　图4?3D模型及重力方向示意图

　　散热模型如图4所示。

　　2.3工况类型

　　本散热模拟共模拟8种工况下LED的散热情况，目的是考察重力方向及热管对散热器散热能力的影响，如表2

　　所示：

　　表2

　　序号 描述 重力方向

　　1 有热管，正向（翅片朝上） -Y

　　2 有热管，反向（翅片朝下） +Y

　　3 有热管，竖置（翅片水平） +X

　　4 有热管，侧置（翅片竖直） +Z

　　5 无热管，正向（翅片朝上） -Y

　　6 无热管，反向（翅片朝下） +Y

　　7 无热管，竖置（翅片水平） +X

　　8 无热管，侧置（翅片竖直） +Z

　　2.4模拟条件

　　本模拟的散热初始条件及模拟边界条件如图5

　　所示： 

　　图5计算域示意图

　　2.5模拟温度取点

　　通过温度点取值与后面的实验测试结果作对比验证，考虑对称结构所取温度点如下图6所示：