根据灯具热阻网络模型（见图3-16），一方面，根据散热器热物理特性和几何参数来确定散热器热阻，结合芯片级、板级热阻，得到LED灯具总热阻，在已知热功率情况下可以确定灯具温升，从而分析判断散热器的优劣；另一方面，根据热功率、温升、芯片级、板级热阻等已知条件来确定散热器热阻大小，并根据散热器的使用条件初步设计散热器。

1）利用型材散热器特征曲线选择散热器［117］

（1）LED灯具热量输出Pth

根据选定的光源来确定驱动电源和控制装置，这三部分工作时都有热量产生，设计时均需要考虑。可以用Pth来表示。

（2）确定芯片、基板、热界面材料、安装等热阻

根据生产厂商的技术参数，确定芯片热阻、基板热阻、界面热阻及安装热阻。

（3）分析并确定LED灯具的热阻网路

根据LED灯具系统的热阻构成图（见图3-16），分别确定Rth-js、Rth-sb、Rth-ba的构成，并确定Rthjs、Rthsb大小。

（4）确定散热器热阻Rthba

根据最大允许结温Tj、环境温度Ta，计算LED灯具最大允许热阻Rth-ja，从而得到散热器热阻Rthba。

（5）选择散热器

按照散热器的工作条件（自然冷却或强迫风冷），查散热器特性曲线。从横坐标上找到需要达到的功率Pth，再从RtfPc或ΔT-Pc曲线上找到对应Pth的Rtf和ΔT′。如果查出的Rtf和ΔT′小于式（8-10）中计算得到的Pth-ba和ΔT，则该散热器可满足要求。若满足要求的散热器有好几种，则可从结构、质量、体积等因素来考虑，应选择那些Rtf和ΔT′基本上等于或略小于按公式计算出的Pth-ba和ΔT的散热器。如果选定的散热器的Pth-ba和ΔT比按公式计算出的值小得太多，散热器体积和质量就会增加，造成不必要的浪费。

2）从头设计LED散热器热设计基本思路

散热器的设计是一个比较复杂的过程，要综合考虑LED灯具功率、体积要求、周围环境、安装空间等多个因素。以下给出一些散热器设计过程中应该考虑的因素。

（1）散热方式或散热表面积／体积的选择

散热方式一般根据表面散热功率密度或体积散热功率密度［118］来判断（见图8-36）。根据灯具的热功率消耗，以及要求的散热面积或体积，可以大致估算出利用哪种散热方式。或者根据选用的散热方式估算大致的散热面积或体积。

图8-36　表面和体积散热密度

一般环温为50℃，温升为35℃时，根据经验可以估算1 W（假设光电转换效率η＝30%）灯具在自然对流［h≈5 W／（m·℃）］的情况下，灯具散热所需的散热面积。

考虑到热辐射、温升、环境变化等，1 W灯具在自然对流情况下散热所需的表面积大概在25～50cm2范围内。

（2）散热器的初步设计

根据散热方式以及散热体积、表面积进行板状散热器设计，初步得到散热器的基本参数：基板面积At、厚δ′，翅片高H、宽L、厚δ，翅片个数N。并计算散热器表面积Atot和散热器效率η＝1－NAf／Atot（1－ηf），其中ηf＝tanh（mH）／mH为单个翅片效率［可参考式（2-30）］。

（3）估算散热器表面对流换热系数h

翅片间距与高度之比小于0.28时，作为受限空间自然对流处理［119］，计算相应Nu。翅片间距与高度之比大于0.28时，可以作为大空间自然对流处理［119］，可按式（2-10）和表3-2来计算Nu。由公式h＝Nuλ／L可得对流换热系数h。

（4）验证散热器是否满足要求

灯具的热阻网络可以简化为Rtot＝Rjs＋Rsb＋Rba。Rjs为LED芯片温度，可以通过厂家手册查询。Rsb为基板温度，可以通过表8-11［118］来查询相关数据，采用氧化铝瓷片并涂有硅胶，其热阻为0.38℃／W。Rba为散热器到环境的热阻，可以用公式Rba＝1／ηhAtot计算。

表8-11　接触热阻参考数据

（续表）

已知结温Tj和环境温度Ta，可以计算总热阻Rtot′＝（Tj－Ta）／Pth。当Rtot′＜Rtot时，散热器满足要求；反之，则不满足要求，需要重新进行设计。

3）LED散热器性能优化

优化的目的是使LED散热器在满足散热的要求下，LED散热器结构简单、重量较轻、成本最低。通过计算的方法来进行优化，工程较复杂，工作量巨大，有时还不能比较全面地考虑各因素之间的耦合关系，所以常用的方法是利用有限元软件进行模拟计算。

总之，LED灯具的散热设计是一个系统的、复杂的过程，其中涉及工程热力学、传热学、材料学、计算科学等多门学科。要想做好肋片在LED灯具散热中的应用，必须有扎实的理论基础，并掌握至少一门仿真科学以进行理论验证。

4）LED灯具散热器性能热分析与热设计实例

（1）LED灯具散热器性能的判断

已知3 W白光LED，RJC＝16℃／W，K型热电偶点温度计测量头焊在散热垫上。PCB试验板：双层铜板40 mm×40 mm×1.6 mm，LED工作状态：IF＝500 mA，VF＝3.97 V，K型热电偶点温度计测TC＝71℃，设计TJmax＝90℃，环境温度为25℃。试分析这种散热设计能否满足要求，如果不满足要求，如何改进。

TJ＝RJCPth＋TC＝RJCIFVF＋TC＝16×0.5×3.97＋71＝103℃(www.daowen.com)

因为TJ＞TJmax，所以按上条件不能满足设计要求，需要增加散热器。

不加散热片时，RBC为：

RBC＝（TC－TA）／Pth＝（71－25）／（0.5×3.97）＝23.17℃／W

在PCB背后粘贴一个10℃／W的散热片，其TJ降低的温度为：

ΔT＝Pth（RBC－R′BC）＝（0.5×3.97）×（23.17－10）＝26.14℃

结温T′J为：

T′J＝TJ－ΔT＝103－26.14＝76.86℃

能够满足设计要求。

（2）LED灯具散热器的选用

某COB LED（NFDWJ130B-V3）功率为44 W，外形为方形，TJmax＝140℃，壳温TC＝105℃。使用时，COB LED和散热器之间加导热胶，热阻为0.5℃／W。环境最高温度Tamax＝35℃。应用时，LED实际耗散功率最大值为Pth＝33 W。要求给这只COB LED选用合适的散热器。

已知耗散功率Pth＝33 W，Tamax＝35℃，Rthcs＝0.5℃／W。

COB结到壳的热阻Rthjc计算得：

COB结到环境的热阻Rthja为：

可求得散热器到环境的热阻Rthsa为：

Rthsa＝Rthja－Rthjc－Rthcs＝3.18－1.12－0.5＝1.56℃／W

根据算出的热阻值查型材热阻值表，选长度L＝80 mm的XC765-3型型材散热器，其热阻Rthsa＝1.5℃／W＜1.56℃／W，能满足设计要求。

如手头一时无型材散热器、叉指型散热器而准备采用铝平板作为散热器时，可查图8-37铝平板散热器的热阻曲线图。从该图可得，当用厚3 mm、面积为900cm2的铝平板作为散热器，水平放置时其热阻Rthsa＝1.5℃／W＜1.56℃／W，该值也能满足要求。水平放置时，热阻大约比垂直放置时大10%。

（3）LED灯具散热器散热量计算

本例对5 W室内LED照明传热过程进行分析，根据LED安全工作的芯片温度要求、工作环境温度因素以及散热器的经济综合考虑，设计了两款带顶盖的翅片式散热器，如图8-38、图8-39所示。该LED照明散热设计要求在环境温度为30℃条件下，不采取任何的强迫冷却方式，利用自然对流换热的方法将芯片的温度控制60℃以下［120］。

图8-37　铝平板散热器的热阻曲线图

图8-38　5W LED室内照明灯具散热结构1

图8-39　5W LED室内照明灯具散热结构2

图8-38中散热器的基本尺寸分别为：D1＝76 mm，D2＝26 mm，H1＝14 mm，H2＝35 mm，L1＝65 mm，L2＝64 mm，h1＝3 mm，h2＝26 mm，h3＝24 mm，t1＝2 mm，t2＝1.2 mm。

图8-39中散热器结构2的参数尺寸分别为：D1＝76 mm，H1＝14 mm，H2＝30 mm，L1＝12.5 mm，L2＝3 mm，L3＝53 mm，L4＝59 mm，h1＝24 mm，h2＝22 mm，t1＝2 mm，t2＝1.2 mm。

5W LED室内照明灯具散热器基板的基本尺寸是76 mm，散热器1与散热器2的高度分别为35 mm和30 mm。散热器均有个5个翅片，中间翅片厚度为2 mm，其余翅片厚度为1.2 mm；散热器的质量分别为83.96 g、87.11 g，散热器面积分别为370.80cm2、353.96cm2。散热顶部设计有一个顶盖，主要起到防尘与增加散热面积的作用。散热结构2中间开了两个流道，主要是为了增加空气的流动，强化换热的效果。

散热器理论要在环境温度为30℃的条件下利用自然对流的方式将芯片的温度控制在60℃以下。空气流体的定性温度为t＝45℃；对于计算中的特征尺寸，对于散热结构1，D的值为0.035 m；对于散热结构2，D的值为0.03 m。在定性温度下查得空气的物性参数为：Cp＝1.005KJ／kg·K，μ＝19.35×10－6Kg／（m·s），λ＝0.027 89 W／（m·K），ρ＝1.111Kg／m3，ρ1＝1.165Kg／m3，ρ2＝1.060Kg／m3，Pr＝0.698 5。根据2.2节相关内容及公式，可以得到以下各量的具体数值。

Ra1＝Gr1Pr＝130 688×0.698 5＝91 286

Ra2＝Gr2Pr＝82 299×0.698 5＝57 486

因为Ra1和Ra2都小于109，所以散热器处于层流状态，换热系数可按以下公式计算：

根据换热系数及计算的散热器表面积，可以估算散热器的散热能力。

Q1＝h1AΔt＝8.17×370.8×10－4×（60－30）＝9.09 W

Q1＝h2A2Δt＝8.49×353.96×10－4×（60－30）＝9.02 W

在翅片式散热器设计中，散热器翅片的效率、散热面积有效利用率不能达到百分百，同时考虑器件在使用过程中功率在一定范围内波动的因素，因此在理论计算应该保留一定的余量。由上面设计换热量计算结果可知：均可以满足散热量的要求，并保留一定的余量。