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家用太阳能灯灯具的散热设计

发布时间:2021-04-10来源:江苏亿创新能源科技有限公司


散热鳍片温度分布极不均匀,导致一部分鳍片对散热作用有限,甚至起不到散热的作用。一些设计错误会带来危险,特别是家用太阳能灯通常安装在8~12米高的杆子上,如果散热器的重心设计不当,就会导致重量与风阻之间的关系过大,危险增加,在遇到台风或地震时,可能会引起严重事故。

由于日本高电价和311福岛地震的影响,家用太阳能灯照明市场增长迅速,预计2015年市场规模将达到200亿美元。台湾LED产业链完善,整体产能高居亚洲第二,如何在争取市场的同时,审慎评估自身产品的品质、研发及生产能力,以及做好散热设计,以经得起时间与环境的考验,是厂商必须严守的自我标准。

半导体元件,自1962年美国通用电气公司开发出世界上第一款实用的红光LED以来,LED已经进入了全彩时代。电子的N型半导体组合而成的P-N二极管,在P-N二极管的两端。
家用太阳能灯的发光效率和寿命与工作温度密切相关,呈反比关系,下面是美国CREE发布的LED路灯寿命报告,温度每降低10℃寿命会增加2倍,光通量增加3%~8%。

严峻挑战,温度升高不仅会导致亮度降低,当温度超过100摄氏度时,还会加速灯具本体和封装材料的老化。导热设计也是保证其使用寿命的最大关键。
家用太阳能灯本身为单色光源,如今随着光效的提高以及蓝光LED的出现,其应用也逐渐趋向于多样化,从早期的低功率电源指示灯发展到像LED背光模组、LED照明等大功率应用。发光二极管是21世纪的新型照明光源,其高效、持久、节约能源、不易损坏、环保无汞等优点,是传统光源所不能比拟的,在节能减碳和环保意识兴起之际,再加上各国政府相继宣示的能源政策(例如:日本2010年修订的《能源基本计划》提出了减碳目标),使占家庭用电大部分份额的发光二极管成为鼓励汰换的项目之一。在能源趋势、政府法令以及LED发光特性三方叠加下,促使LED照明行业蓬勃发展,也吸引了国内外厂商对LED上下两个行业的投资。
太阳灯就像所有的电子部件一样,在使用或运行过程中都会产生热能和温度升高现象,如果忽略散热问题,就会导致LED由于高温而过早烧毁。与传统灯具相比,LED灯具设计复杂,包含光学、机构、电子20%左右就能转换成光,其余80%就能转换成热,如果不能输出热量,就达不到LED灯具所宣称的50,000小时的寿命,而热量又会影响LED的发光效率,造成严重光衰和灯具损坏。

LED家用太阳能灯芯片衬底目前普遍采用的是陶瓷衬底,它具有散热性好、膨胀系数小等特点,减少了由热应力引起的变形,其次又具有耐热、耐潮和绝缘等优点,因此陶瓷衬底成为大功率照明用LED芯片衬底常用的散热材料。目前主要有三种类型的陶瓷基材:(1)氧化铝导热性能最好,但技术门槛最高,因此AlN多用于3W以上的LED产品,而Al2O3用于1W~3W范围内的LED产品,LTCC适用于大、小功率LED产品。

产生的热量只能通过导线传递,其散热效能受限于导线材料和细长的几何形状,因此散热效能倍受限制,相较之下,采用共晶、覆晶之接合方式,大大缩短导线长度,增加导线截面积,提高散热效能。
对于线路改进,有厂商推出了高压LED产品,其原理是通过串连多个小功率LED来获得高电压、低电流产品。可以降低控制线路布置的难度。与普通LED相比,高压发光二极管的驱动电流较小,产生的热也相对较少,可以避免陷入“温度升高→阻

抗降低→电流升高→热能升高→温度升高”的恶性循环,从而设计出系统稳定的发光二极管。
在介绍了LED芯片基板之后,又提到了与传递热量相同的系统电路板,LED芯片通过连接焊接和系统电路板连接起来,由晶片产生的热能也通过芯片基板传导到系统电路板,目前常用的是具有高,前面已经提到了陶瓷基板的导热性能很好,但是由于系统电路板的面积较大,在考虑了成本和灯具重量等因素后,多会舍弃陶瓷基板,金属基板,对高热导绝缘层的材质要谨慎选择,若采用高膨胀系数的材料,绝缘层在高温下容易膨胀而产生裂缝、空洞,反而使MCPCB的空气进入MCPCB,形成额外的热阻,降低导热效率,部分厂家会在导热绝缘层和金属基板间喷涂陶瓷散热漆,可提高绝缘层的绝缘阻抗,节约多层导热胶的材料成本,增强MCPCB的散热能力;底层金属基板多采用铝合金,利用铝合金优良的散热性能,达到导热效果。

与其它LED终端产品(如LED背光源、LED汽车照明…等)工作环境会因温度变化、沙尘量、湿度等因素而变得更严格。就拿LED路灯来说,要能长时间在户外环境中工作,不仅要符合安全要求(例如:UL,CE…),更需要达到可靠和恶劣的环境测试,比如,光学性能的稳定性(如,光衰变),沙尘的侵袭,鸟粪的堆积,空气中的胶质悬浮物和水气虹吸现象引起的防水防尘问题。

就灯具设计而言,从LED蕊片、LED芯片基片、芯片封装、线路设计、系统电路板、散热片到家用太阳能灯灯具外壳等再一次都在考验着LED行业的上、中、下游研发能力。常规指示灯用的LED多为弹形结构,其周围用绝缘环氧树脂(epoxy)包覆,因此LED晶粒产生的热能主要由下方的两根金属线以导电方式向系统电路板散热。为了增加传热面积,照明用途之LED改为采用平板封装,使得LED芯片基片及系统电路板可以有更大的贴合面积。在家用太阳能灯散热系统中,电路板后端与散热系统相结合,散热系统可分为主动散热和被动散热,主动散热包括风扇强制散热和磁喷散热,被动散热包括自然对流散热、回路热管散热。
 


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