篇幅较长，有兴趣的可以认真研究一下，不对的地方还请指正。

目前,很多大功率强光探照灯的驱动电流达到mA、mA,甚至超过1A,这将会引起芯片内部热量聚集,导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。

业内已经对大功率强光探照灯的散热问题作了许多努力:通过对芯片外延结构优化设计,使用表面粗化技术等提高芯片内外量子效率,减少无辐射复合产生的晶格振荡,从根本上减少散热组件负荷;通过优化封装结构、材料,选择使用以铝基为主的金属芯印制电路板(MCPCB)、陶瓷、复合基板等方法,加快热量从外延层向散热基板散发。

多数厂家还在高性能要求场合中使用散热片来增大散热面积,依靠自然对流、强对流散热等方法促进大功率强光探照灯散热。尽管如此,单个强光探照灯产品目前也仅处于1~10W级的水平,散热能力仍亟待提高。相当多的研究将精力集中于寻找高热导率热衬与封装材料上。然而当强光探照灯功率达到10W以上时,即使加了风冷强对流方式,牺牲了成本优势,也未能获得令人满意的效果。

需从影响大功率强光探照灯散热的因素中,寻找散热的关键因素。研究方法为有限元分析法,该方法已有实验验证了强光探照灯有限元模型与其真实器件之间的差别,证明其在误差范围内是准确可行的。

1.散热设计方法

强光探照灯散热设计一般按流体动力学软件仿真做基础设计,流体流动的阻力受流体的粘性

和固体的边界的影响,流体在流动过程中受到阻力称为流动阻力,可分为沿程阻力和局部阻力两种。

①沿程阻力。在边界沿程不变的额区域,流体沿全部流程的摩擦阻力。

②局部阻力。在边界急剧变化的区域,如断面突然扩大或者是突然缩小、弯头等局部位置,是流体的流体状态发生急剧变化而产生的流动阻力。

通常,强光探照灯采用散热器自然散热,散热器的设计分为以下三步:

①根据相关约束条件设计外轮廓图。

②根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化。

③进行校核计算。

2.自然冷却散热器的设计方法

考虑到自然冷却时温度边界层较厚,如果齿间距太小,两个齿的热边界层易交叉,影响齿表面的对流,所以一般情况下,自然冷却散热器的间距大于12mm。也可以对散热翅片进行开缝处理或使用交错翅片,可以有效改变流体的流场分布,增强散热性能。如果散热器齿高低于10mm,可按齿间距大于等于1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。

自然冷却散热器之间表面的换热能力较弱,在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响,所以散热齿表面不加波纹齿。自然对流的散热器表面一般采用氧化处理,以增大散热表面的辐射系数,强化辐射换热。由于自然对流达到热平衡的时间较长,所以自然对流散热器的基板及齿厚应能抗击瞬时热负荷的冲击,应大于5mm以上。

3.散热片要求

①外形与材质。散热片所占体积以最小为原则：如果器件密封技术要求不高,可与外界空气环境直接发生对流,可采用带鳍片的铝材或铜材散热片。

②有效散热表面积。1W大功率强光探照灯白光散热片的有效散热表面积总和大于等于

50~60cm2。对于3W产品推荐散热片的有效散热表面积总和大于等于cm2,更高功率视

情况和实验结果增加,尽量保证散热片温度不超过60℃。

③连接方法。大功率强光探照灯基板与散热片连接时应保证两接触面平整,接触良好。为加

强两接触面的结合程度,应在强光探照灯基板底部或散热片表面涂败一层导热硅脂,导热硅脂要求涂敷均匀、适量,再用螺丝压合固定。

④PCB背光加散热片。若计算出来的结温Tc比设计要求的Tcmax大得多,而且在结构上又不允许增加面积时,可考虑将PCB背面粘在“U”形铝型材上,或粘在散热片上。这两种方法是在多个大功率强光探照灯的灯具设计常用的。如果计算出Tc=℃,在PCB背后粘贴一个10℃/W的散热片,其Tc降到80℃左右。

这里要说明的是,上述Tc是在室温条件下测得的。若强光探照灯灯具使用的环境温度Ta大

于室温,则实际的Tc比在室温测量后计算的Tc要高,所以在设计时要考虑这个因素。若测试时在恒温箱中进行,其温度调到使用时最高环境温度为最佳。另外,PCB的安装角度对散热性能也会有影响,是水平安装还是垂直安装,其散热条件不同,Tc也会不同,灯具的外壳材料、尺寸及有无散热孔对散热也有影响。因此,在设计时要留有余地。

在热传导的角度,主要从以下几个方面进行考虑。

(1)吸热设计

散热片的吸热效果主要取决于散热片与发热物体接触部分的吸热底设计。性能优秀的散热片,其吸热底应满足四个要求:吸热快、储热多、热阻小、去热快。

吸热快,即吸热底与发热设备间热阻小,可以迅速吸收其产生的热量。要求吸热底与发热设备结合紧密,直接接触,最好能够不留任何空隙。

储热多,即在去热不良的状态下,可以吸收较多的热量而自身温度升高较少。目的是为了应付发热设备功率突然提升或风扇停转等散热器性能突然丧失的状况。

热阻小,即传导相同功率热量时,吸热底与发热设备及鳍片两个接口间的温差小。散热片热阻就是由与发热设备的接触面逐层累计,需要吸热底有较好的横向热传导能力。

去热快,即能够将从发热设备吸收的热量迅速的传导到鳍片部分,进而散失。吸热底与鳍片部分间的结合情况,即结合面积与热传导的接口阻抗。

采取措施如下:

①导热膏。为了减小接触空隙,提升吸热传热能力,应采用具有较低热阻及导热系数高的材料填充接触面之间空隙。要想根本上提高散热片吸热底的吸热能力,就必须提高其底面平整度。平整度是通过表面最大落差高度来衡量的,通常散热片的底部稍经处理即可达到0.1mm以下,采用铣床或多道拉丝处理可以达到0.03mm。

②比热容。为了满足储热的要求,就需要利用比热容(J/(kg·K),指1kg的物质温度升高1K需吸收的热量)。铜的比热容为J/(kg·K),铝的比热容则为J/(kg·K)。具体物体的储热能力还决定于其质量,相同体积下,材质密度:铜的密度为kg/m3,铝的密度为kg/m3。相同体积的铜与铝材,发生相同的温度变化时,铜可以比铝多吸收约40%的热量。

③铜。要降低吸热底内部热阻,采用热传导系数更高的铜的确是比铝合金更好的选择。确定了吸热底的材质,还可以通过调整吸热底的形状设计改变其热阻。根据热传导的基本常识:截面积越大,热阻越小,厚度越大,热阻越大。

厚度大,面积小——横向热阻小,可有效利用连接其上的鳍片,但纵向热阻大,增加了散热片的整体热阻,不利于整体性能提高。

厚度小,面积大——纵向热阻小,但横向导热截面(与底面垂直)狭小,横向热阻大。

为了满足去热快的要求,就需要吸热底与鳍片间的连接面积尽量大,热传导接口阻抗尽量小,同样要令吸热底与鳍片尽量紧密的结合,需要较好的接口平整度。结合程度则基本上取决于散热片整体成形或吸热底与鳍片间的结合工艺。

(2)导热设计

散热片的根本作用就是热量的传导及散发,自然在每一个部分都会强调其导热能力。传热途径重要的环节:发热设备-吸热底、吸热底内部、吸热底-鳍片、鳍片内部。

鳍片是散热片与周围环境(空气)进行热交换的主要场所,因此,要迅速的散掉吸热底吸收来的热量,就应该增加鳍片的对流换热能力。

吸热底与鳍片间的导热能力,在结构设计上取决于结合方式与连接面积。两者间的结合方式主要分为“先天”与“后天”两种:“先天”方式即散热片为一体成形,吸热底与鳍片本就是一片金属,并不需经过后续处理,没有接口阻抗,且设计简单。“后天”方式即吸热底与鳍片分别成形后,采用一定工艺结合,结合所采用粘结材料的导热系数对导热能力影响很大。

采用热管进行吸热底到鳍片的热量传导具有一些传统结合方式无法比拟的优势:

①热阻小——热管在设计功率以内,其热阻是同体积铜柱的几分之一、十几分之一，甚至几十分之一。通常全功率工作时,吸热段与放热段间的温差也只有2、3℃,因此才有热的“超导体”之称。

②重量轻——目前计算机散热所采用的热管通常为铜-水热管,吸液芯结构不外单层或多层网芯、金属粉末烧结与轴向槽道式三种,而小尺寸热管主要采用后两种。不论是何种内部结构,类真空的内部加上不足管径1/5厚度的铜质管壳,热管相比同体积的金属可大幅减小重量。

③适应性好——小尺寸热管都具有不错的机械性能,只要不超过弯折半径的规定范围(根据吸液芯结构存在一定差别,通常要求弯折半径不小于三倍管径),可以进行各种角度的弯折,实现吸热底与鳍片间的灵活组合,可适应各种摆放方式。

④接触面积大——热管的吸热段可以内嵌到吸热底内,管壳一周均与周围金属接触,实际连接面积可大于其底面积;与鳍片连接的放热段长度可以达到热管总长度的50%以上，连接面积更可达到传统连接方式的数倍以上,且可多点结合,能够直接将热量扩散到鳍片更广的范围上。

当然,利用热管实现热量由吸热底到鳍片的传导同样存在一些亟待解决的不足之处:

①成本高——根采用轴向槽道式吸液芯的6mm铜-水热管,长度约4cm,最大截面热通量30W左右,价格在20~30元左右;采用金属粉末烧结式吸液芯的产品,同样处于此价位。相对传统的铜、铝合金等金属,材料成本提高了数倍以上。

②加工复杂——由于增加了热管这种相对独立且细长的组件,散热片的成形过程复杂了很多,需要更多的人为干预,提高了加工成本,限制了产量。

③存在接口阻抗——采用热管进行吸热底到鳍片的热传导,不可避免的需要将三者连接起来,则必然会产生接口阻抗,且由于热管对加工条件的一些特殊要求(例如温度--当热管温度超过一定水平时,会由于内部压力过大而爆炸),无法采用一些可获得低接口阻抗的结合工艺,难免损失一些性能。

④易损坏——热管的正常工作要求完全的密封及吸液芯结构的完好,因此外部的物理损伤非常容易导致性能的大幅甚至全部丧失。

⑤工作温度不合适——虽然目前市场上散热器所采用的热管均为0~℃的常温热管,但实际上目前半导体芯片正常工作的温度(不超过℃),不足以令热管发挥出完全的效果,即无法达到最大热传导功率。

(3)散热设计

不论是被动散热的空冷散热片,还是需要风扇强制对流辅助的风冷散热片,鳍片的职责都是通过与周围环境(空气)的接触将由吸热底传导来的热量散失出去。为了履行此职责,要求鳍片满足以下四项要求,每项要求又对应着鳍片的一项参数:

①可迅速吸收热量,即吸热底与鳍片间的热传导,对应与吸热底的连接面积(连接比例)。

②可大范围扩散热量,即能够将吸收的热量传导到可与环境进行热交换的每个角落,对应鳍片内部的热传导能力(横截面积、形状)。

③散热面积大,即提供更多与环境进行热交换的面积,对应鳍片的表面积(数量)。

④空气容积大,风阻小,即鳍片间为空气留有足够的空间,可使空气顺畅通过,减弱热边界层的重叠,对应鳍片的间距。

散热器采用鳍片的形状是为了加大散热及辐射面积。以利于对流散热和辐射散热。散热器的最重要指标就是它的散热面积A,但是散热器的不同部位其散热效果是不同的。根部流体流动阻力大,散热效果就差;而顶部与环境流体直接接触,散热效果就好。所以散热器有一个有效散热面积。它通常是实际面积的70%左右。从经验得出,一般要散1W功率的热量大约需要50~60平方厘米的有效散热器面积。

散热器的材料通常是用铝合金,和铜相比,虽然其热传导只有铜的一半,但是它重量轻、易加工、价格便宜,所以还是广泛地应用于散热器之中。

为了加大散热面积,通常会采用增加高度的方法。但是,高度增加到一定程度以后其作用会越来越小。

所以对于散热器来说,除了加大面积以外,如何加速空气的对流是很重要的事,尤其是像强光探照灯路灯这类安装在室外的路灯更为重要。由于室外的风向是不定的,为了在各种风向情况下都能有很好的对流,最好采用针状鳍片散热器。但这也减小了其等效散热面积所占的百分比。

鳍片形状基本都可归入两大类之中——片状与柱状。

1)片状

片状:利用片状“宽广”的侧面与“单薄”的厚度,可以在相对狭小的空间内获得大的表面积。

平行:平行排列的鳍片,片间距离均匀,空间连贯,利于空气通过。排列整齐、规律,成形与结合工序相对简单,适合于工业化大规模生产。

a.风槽式。鳍片与吸热底面垂直相连,空气由顶部进入,侧面流出(吹风),或由侧面流入,顶部抽出(吸风)。空气由鳍片与吸热底形成的槽道中通过,且其间流动方向会发生变化,故而将其称为“风槽式”。

风槽式鳍片设计的目标同样是增大散热面积,除了增大吸热底面积外,最重要的手段就是提高“瘦长比”_即鳍片高度与鳍片底部厚度的比值。在不增大吸热底面积,不改变连接比例的情况下,瘦长比的提高可以增加鳍片的数量或高度,都可以加大鳍片总表面积。当然,考虑到鳍片内部热量传导的要求,瘦长比也不应无限制的提高,当其超过一定限度时,鳍片的末端已经不能计入有效散热面积之内了。这个限度的确定需要考虑到鳍片材质的热传导能力,例如铜质鳍片就可以比铝合金鳍片采用更高的瘦长比。

但它却存在着一项设计者们一直寻求解决的弊端:散热片的中心区域都会形成一个空气流动较少的高压区(吹风)或低压区(吸风),如果再加上轴流风扇轴心风力盲区的影响,此区域的范围有时可以达到散热片底面积的20%以上,倘若又遇到风扇性能不济,可能会使整个鳍片底部区域的空气流动都非常微弱。

此处的空气受两侧气流的影响,运动非常混乱,虽然所形成的紊流可以与鳍片进行更多的热交换,但由于流动不畅,热量无法排出散热片外:而且,此处往往是发热设备(例如CPU核心)所处位置,是散热片热量最为集中的部分,如不加以处理,会对性能造成相当不利的影响。虽然可以采用更大风压、更小甚至无盲区的风扇,尽量减小高压区(或低压区)的范围,但难免会造成耗电的增加与噪音的增大,影响散热器整体的应用。

增加吸热底中心位置的厚度,在空气沿鳍片流动的方向上形成坡道,既能够形成类似风道的导流作用,消除高压区(或低压区),又能够增加吸热底的热容量,并利用增大的连接面积将热量更加均匀的扩散到鳍片上。

当然也可以在原本基础上进行简单改变而取得不错的效果。实际产品都是在表面积与空气流动间进行权衡后,才确定侧面风槽数量、宽度与排列位置的。一般而言,对应发热设备的中心位置都会开出一条或对称的两条风槽，以达到中心“卸压”的目的。

作为最经典的一种鳍片设计,采用的产品也是目前市场上的绝对主流,涵盖各种档次与品牌,用户应该对判断其设计水平与特点的几大因素有所了解:

瘦长比——既然是设计中的诉求点,实际选购时自然也应

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