基于大功率LED燈的配光與散熱技術(shù)研究

　　1 背景

　　半導(dǎo)體器件的發(fā)光現(xiàn)象從原理上來說可以大致分為三種：光致發(fā)光，電致發(fā)光，陰極射線發(fā)光，其中第一種發(fā)光形式是當(dāng)一定數(shù)量的光線照射到半導(dǎo)體上面的時(shí)候，半導(dǎo)體本身的電子和空穴吸收了光的能量而發(fā)光的現(xiàn)象。第二種發(fā)光形式是當(dāng)在半導(dǎo)體器件上施加正向電壓的時(shí)候，電子和空穴由于得到了能量而運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而激發(fā)了發(fā)光現(xiàn)象。

　　陰極射線發(fā)光是當(dāng)某些射線照射到半導(dǎo)體上面的時(shí)候，半導(dǎo)體的載流子吸收了能量，進(jìn)而產(chǎn)生復(fù)合發(fā)光的發(fā)光現(xiàn)象。

　　LED本身也屬于半導(dǎo)體器件，LED的自發(fā)性發(fā)光是由于電子和空穴之間的復(fù)合運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。它的發(fā)光原理是基于電致發(fā)光的發(fā)光原理，而沒有采用與傳統(tǒng)光源諸如白熾燈，節(jié)能燈等相似的發(fā)光原理。LED最重要的部分是P-N結(jié)-個(gè)由N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體組成，并且在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間形成一層薄薄的真空耗盡層。P-N結(jié)的發(fā)光過程大體上可以分為三個(gè)過程：其處于正向電壓下的載流子注入，復(fù)合輻射的方式，光能傳輸。體積非常小的半導(dǎo)體晶體全部被封裝在干凈的環(huán)氧樹脂之中，當(dāng)其中的電子途徑晶片的時(shí)候，電子游離到空穴區(qū)并和它們復(fù)合，此時(shí)，空穴和電子同時(shí)消失并出現(xiàn)光子。電子與空穴由于復(fù)合運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的光子的能量與電子和空穴二者本身是成正比的。然而復(fù)合運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的光子的能量同時(shí)又是和光子所產(chǎn)生的光的顏色是一一對應(yīng)的，一般來講，在可見光的頻譜范圍之內(nèi)，不同頻率的光譜所攜帶的能量是不同的。紫色光，藍(lán)色光所帶有的能量在通常的情況下是最多的，而紅色光，桔色光所帶有的能量往往是最少的。正是由于不同的材料之間帶隙的差別，才造成了不同的材料可以發(fā)出不同顏色的光的現(xiàn)象。

　　2大功率LED照明燈具成像光學(xué)

　　LED作為一種新型的固態(tài)冷光源，具有體積小，壽命長，發(fā)光效率高，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。大功率LED照明燈具廣闊的市場前景引發(fā)了對于LED應(yīng)用的研究高潮，特別是在大功率照明應(yīng)用方面，但是由于LED芯片發(fā)出的光呈Lambertian分布，這樣的光場分布如果不經(jīng)過二次光學(xué)設(shè)計(jì)而直接應(yīng)用到實(shí)際的大功率照明中應(yīng)用的話，將會造成嚴(yán)重的光浪費(fèi)，LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)問題成了限制LED在照明應(yīng)用方面進(jìn)一步推廣的主要問題。傳統(tǒng)的照明設(shè)計(jì)方法不能進(jìn)行錯(cuò)誤預(yù)估的缺點(diǎn)，采用了將非成像光學(xué)理論，照明設(shè)計(jì)軟件和計(jì)算機(jī)編程相結(jié)合的方法來進(jìn)行大功率LED照明燈具的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，根據(jù)非成像光學(xué)中經(jīng)典的光學(xué)擴(kuò)展度守恒以及邊緣光線原理，得到透鏡的曲面方程，然后利用Matlab編程計(jì)算出自由曲面透鏡的離散點(diǎn)，進(jìn)行三維建模，并在Tracepro中進(jìn)行仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。而LED的基本封裝結(jié)構(gòu)是將一塊結(jié)構(gòu)是電致發(fā)光的半導(dǎo)體模塊封裝在環(huán)氧樹脂之中，通過引腳作為正負(fù)電極起到支撐的作用，LED結(jié)構(gòu)主要由支架，銀膠，晶片，金線，環(huán)氧樹脂五種物料組成，一個(gè)已經(jīng)封裝好的大功率LED燈珠的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

　　大功率LED照明燈具成像光學(xué)在成像光學(xué)設(shè)計(jì)中，光學(xué)系統(tǒng)是作為主要的成像工具，主要通過幾何光線的概念來研究光線傳播的規(guī)律，對于光線傳播中能量的傳遞產(chǎn)生的變化缺乏相應(yīng)的研究，然而非成像光學(xué)則與成像光學(xué)是不同的，其從物理學(xué)的角度認(rèn)為，光線在傳播的過程之中攜帶著相應(yīng)的輻射能，那么光線傳播的方向也就是所對應(yīng)的輻射能的傳播方向。因此，當(dāng)從研究能量變化的角度出發(fā)，光學(xué)系統(tǒng)本身也是傳遞對應(yīng)的輻射能量的介質(zhì)，光線的傳播過程本身也就是是對應(yīng)的能量的傳輸過程，非成像光學(xué)理論主要從這種能量傳播的規(guī)律的角度對整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行研究。非成像光學(xué)理論應(yīng)用的主要目的是研究整個(gè)照明系統(tǒng)，但是這個(gè)照明系統(tǒng)本身是對光線傳播過程中的光能的傳遞起到一種控制作用，而不是類似于成像光學(xué)理論中起到成像的作用，但是成像問題并不能被排除在非成像設(shè)計(jì)之外，非成像光學(xué)理論是主要是為了解決兩大類問題而產(chǎn)生的，一類是如何使所傳遞的能量最大化，另一類是如何在目標(biāo)平面上得到符合照明要求的照度分布，此兩個(gè)問題在通用照明領(lǐng)域通常被稱作集光和照明。聚光器通?？梢苑譃閮深?，一類稱為三維聚光器，另一類是二維聚光器，二維聚光器又可稱為線性聚光器，線性聚光器的匯聚比通常用橫斷面上的輸入與輸出尺寸的比值表示。對于二維聚光器和三維聚光器(具有軸對稱特性)來說，可以求得c的最大值，假設(shè)輸入和輸出媒介都有相同的折射率，當(dāng)圓形光源在無窮遠(yuǎn)處以iθ的發(fā)散角發(fā)射光線。當(dāng)通過光學(xué)系統(tǒng)的時(shí)候，匯聚比的最大值maxC達(dá)到21/siniθ，當(dāng)出射光的角度和出射面匯聚成像二次配光。光學(xué)擴(kuò)展量具有一定的物理意義：光學(xué)擴(kuò)展量可以用來評價(jià)光學(xué)元件對于整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的能量利用率的影響，也可以用來描述光束本身的特性，對于具體的光學(xué)元件而言，光學(xué)擴(kuò)展量則代表了光學(xué)元件對于光束的收束能力，利用光學(xué)擴(kuò)展量的概念，可以判斷出照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的匹配程度。

　　3 大功率LED照明燈具透鏡模型

　　對于理想的光學(xué)系統(tǒng)而言，當(dāng)不考慮反射，折射，散射等損失的情況下，則光束經(jīng)過該光學(xué)系統(tǒng)之后光學(xué)擴(kuò)展度守恒，在非成像光學(xué)設(shè)計(jì)之中，這是在設(shè)計(jì)過程之中需要考慮的一個(gè)非常重要的因素，要從兩個(gè)方面來講，對于光源來說，光學(xué)擴(kuò)展度越小越好，然而對于光學(xué)元件來說，情況卻恰恰相反，光學(xué)擴(kuò)展度對于光學(xué)元件而言應(yīng)該是越大越好，當(dāng)然光學(xué)擴(kuò)展度也并不是越大越好的，因?yàn)殡S著光學(xué)擴(kuò)展度的增加并不一定能為整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)帶來相同程度的能量效率的提高，反而會引起光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度和生產(chǎn)成本的大幅度提升，因此當(dāng)進(jìn)行非成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)該合理的利用光學(xué)擴(kuò)展度這個(gè)概念，控制光線的走勢，實(shí)現(xiàn)光學(xué)擴(kuò)展度的守恒，以便獲得理想的光能利用率并且滿足照明均勻性指標(biāo)的要求將該曲線繞旋轉(zhuǎn)一周即可得到透鏡實(shí)體模型，大功率LED照明燈具透鏡模型的外表面即為所求的自由曲面如圖2所示。

　　4 大功率LED散熱器的設(shè)計(jì)

　　大功率LED照明燈具的傳熱是物質(zhì)在溫度差作用下所發(fā)生的熱量傳遞過程，無論在一個(gè)物體內(nèi)部或者一些物體之間，只要存在溫差，熱量就將以某一種或某幾種方式自發(fā)地從高溫處傳向低溫處。熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)(導(dǎo)熱)、熱對流、熱輻射與傳統(tǒng)光源相比，LED的突出特點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、方便嵌入各種燈具。作為光源的載體，燈具的散熱設(shè)計(jì)對LED發(fā)揮其優(yōu)勢至關(guān)重要。若燈具的散熱效率設(shè)計(jì)較高，不但可以延長LED的使用壽命，還可以減輕燈具的重量，拓展其應(yīng)用范圍。反之，則會影響LED優(yōu)勢的發(fā)揮，甚至成為其應(yīng)用的瓶頸。

　　因此本章重點(diǎn)討論散熱器的設(shè)計(jì)。我們知道散熱方式通常有兩種：第一種是主動(dòng)式散熱，即通過外加風(fēng)扇、水冷或者熱管回路、微通道致冷、半導(dǎo)體致冷等強(qiáng)迫致冷的方法等來進(jìn)行散熱，其特點(diǎn)是散熱效率高，散熱器體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。缺點(diǎn)是會增加額外的功耗，并且考慮到燈具有防護(hù)等級等要求，還會增加燈具設(shè)計(jì)的難度;第二種是被動(dòng)式散熱，主要依靠空氣的自然對流，通過散熱片將熱源產(chǎn)生的熱量自然散發(fā)到空氣中，其散熱的效果與散熱片大小相關(guān)。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但散熱效率比較低。對于照明系統(tǒng)來說，由于該散熱方式容易和燈具結(jié)構(gòu)相結(jié)合，結(jié)構(gòu)相對比較簡單，并且不需要額外的功耗，同時(shí)出于加工、材料成本，維護(hù)系數(shù)等方面的綜合考慮，所以使用被動(dòng)散熱的整體成本相對較低。目前主流方向還是采取第二種方式，通過合理設(shè)計(jì)散熱器來最大限度的滿足照明系統(tǒng)的散熱要求，同時(shí)最大限度地節(jié)約成本。本公司銷售的一款大功率LED路燈散熱器進(jìn)行具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，該散熱器由兩個(gè)相同的模塊構(gòu)成。大功率LED照明燈具的優(yōu)化設(shè)計(jì)散熱器的外觀如圖3所示。

　　5 總結(jié)

　　大功率LED是近幾年來研究應(yīng)用的熱點(diǎn)之一，尤其是大功率LED芯片出現(xiàn)以后，大功率LED應(yīng)用于照明領(lǐng)域大有替代傳統(tǒng)照明的趨勢。目前LED仍然面臨驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)、配光設(shè)計(jì)和散熱設(shè)計(jì)方面的問題。本文針對朗伯型大功率白光LED進(jìn)行了二次光學(xué)設(shè)計(jì)，分別設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)均勻圓斑和均勻矩形斑的自由曲面透鏡。同時(shí)本文亦對大功率LED散熱進(jìn)行了研究，闡述了運(yùn)用ANSYS優(yōu)化功能編寫程序?qū)Υ蠊β蔐ED平板散熱器的優(yōu)化過程，并給出了一個(gè)具體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程。