高功率情况下,平板 LED 模块/灯壳散热的主要弊端,更新两张模拟图

本帖最后由 ambiva 于 2015-7-16 19:10 编辑


注释:此贴发于在2013年,鉴于LED的发展趋势,PCB版可靠性越来越高,再过几年可能散热集中化不再是设计的主要问题,虽然也需要考虑。
保持大部分LED芯片温度平衡仍是首要任务
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目前绝大部分路灯和 highbay 都没有用高密度(high flux)芯片如 Luxeon M 或 Cree MKR
一般用的是小可颗 Rebel ES (比较老了,目前第四代),新的有 Luxeon R. 下一代将是 Luxeon TCree 方面的话有 XPG 等等,因为小尺寸的透镜比较成熟,开发新的大型透镜目前只有少量第三方厂家如 Ledil 有做。
(飞利浦上个月出的新 High bay 倒是有用 Luxeon M,不过 highbay 照明的透镜可以做到极其简单)。偏题了。
包括飞利浦 LEDGINE 在内的很多厂都喜欢用模块电路板。大功率情况下得用到100-200颗甚至更多 LED,散热问题就来了
发热集中化 —— 比起位于边缘的 LED,位于灯具中央的 LED 往往不能有效的散热而导致缩短寿命与加速性能衰减。(例图见下面几楼)
这方面我已经用SW模拟过几家的产品建模用 flow simulation 反复验证过了,稳定后位于中央几颗 LED 会比位于边缘的LED高10度以上(满功率情况下)。
这里发两张灯壳热散布比较图能明显说明问题。
左侧为飞利浦 GreenVision Exceed (BRP373),单位是K,红色温度= 73度,官方宣传数据。
右侧为我的,单位是 C。模拟结果Ts是69C (Ta = 25C),实测 Ts 67.4C,比模拟还低1.5度
比较下来灯壳最高温度低 10 度,对光效和寿命产生重要影响 (BRP373 的标称是 5万小时)

聪明点的设计,在没堆满LED的情况下(如<200颗)可以把 LED 分散分布(例子:Indal 的 LUMA 系列,现在属于飞利浦)。
见下图,当然,实际的产品没那么复杂,因为成本问题。也就成少几个模块

在满载 LED 的情况下,这个问题不创新是难以解决的。
CREE 的 AEROBLADE 是一个可行的例子,线性条状模块独立,不过结构复杂,组件多,成本高,功率也不是很高。
在这发一下我的设计好 (已中标伦敦交通局)
至于散热性能有多好?根据产品实测配合飞利浦实验室上个月最新光率曲线报告
L85 > 10万小时, 700mA, 25度
L90 > 10万小时, 350mA , 25度
目前最大灯具光效 122 lm/W
相比诸多 标称寿命 5 万小时的路灯 (默认是 L80,但鬼知道是不是有人用室内的 L70 ),就不用多说了。
L80 或者 L70 的话,15 万小时以上基本无压力。当然,目前第三方商业驱动器最大保证也就是 10万 小时,如飞利浦的 Xitanium。10万小时 20-25 年已经足够
PDF 在另一个贴发过。有兴趣的朋友搜搜就有了。目前中文版不完善还在做。


从产品设计上,顶部鳍片向前后逐渐递减中间最高,不光考虑到美学因素 (PS: Star Trek)。
还有综合考虑到纵向热散布,前端的LED主要靠前端散热环和追加鳍片散热,中端LED靠增高的顶部鳍片弥补,后端LED靠整个灯体尾部扩散热量。大功率少量LED(单侧18颗)也是达成单线性排列,最大化垂直散热效率的关键 (整灯最大功率 300W,可编程)
另外经过试验,如果把底部通风孔全部挡住(相当于传统竖直鳍片,除了散热环外),所有 LED 温度会上升10度左右
注:运用烟囱效应(非LED灯泡产品)的 LED 灯具不是没有,今年 Zumtobel 请 ARUP 设计的High bay 灯具 Graft 就有用到点,不过如果 LED 不是侧装或是有太多排的话,烟囱效应的效果也会减低。如果就是普通的平板向下的长方形模块一个个隔开来,经测试效果也一般(高功率情况下)。当然,用反射器也是使此设计能完美的前提(目前 GE,THORN,iGuzzini 的室外产品还在坚持用反射器),但是反射器的设计需要比较牛的光学工程师,步骤比较繁琐,远没有透镜方便。
目前侧装 LED 的路灯产品例子有 GE 的 ERS 与 R250, 和 Selux 的 Avanza,但是这几款的散热设计非常保守,L80 寿命之能保证 5 万小时。
其他信息可以参照我另外的帖子:
http://bbs.ledcax.com/thread-144608-1-1.html
还有一点忘记提了,就是的自清洁功能,自然斜面和角度,不是太密集的散热片很显然适于雨水冲刷
这个其实很重要,现在太多路灯采用垂直散热片被全包裹或者没有协助出水的坡度,以为越密集越好,没法大量排水和冲刷的话,灰尘问题,特别在中国,没过几个星期包你散热性能大降。另外鸟粪也是一个大问题。

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