高增军，古念松，黄瑞彬，梁建冬
摘要：本文介绍了一种普通塑料外壳内嵌金属冲压铝件的LED灯具散热方案，并将之与最常用的金属铝散热片方案从理论和实际案例上进行了对比分析，得出了塑料外壳散热方案的可行性结论。 关键词：LED灯具，散热方案，塑料外壳
Keyword: LED Luminaries, Thermal Solutions，Plastic Casing
1.常用散热方案介绍
LED散热设计对灯具的可靠性和寿命影响非常大，很大程度上决定了产品的性能与品质。目前最常用的是金属铝散热片方案，按其成型工艺分主要有压铸，拉伸和锻造，及冷轧冲压成等方案，如Fig.1所示。
压铸铝散热片拉伸铝散热片冲压鳍片散热模组
Fig.1 常用金属铝散热方案
金属铝散热片方案的特点是散热体笨重，成本比较高，铝金属导电特性会使产品防触电设计复杂化，从而导致产品材料及装配成本增加。
2.塑料外壳散热方案简介
由于成本要求，LED灯具塑料外壳散热方案通常采用普通工程塑料包覆或内嵌铝件的设计，如Fig.2所示。其中内嵌的铝件是主要导热部件，一般采用1系列高导热铝板材，其导热系数高达200W/M·K以上。
超细纤维布而塑料外壳则是灯具主要的结构件和外观件构成部分，同时也起电气绝缘或隔离作用。在一些散热器中，塑料外壳与铝散热器镶嵌注塑的结构，能够将铝的高导热性能和塑料的高辐射性能充分结合。
内嵌金属铝件
Fig.2内嵌碗状冲压铝件塑料外壳散热方案
永磁接触器3.塑料外壳散热方案的优势与可行性分析
3.1 塑料外壳散热方案的优势
1）灯具成本大幅下降
原材料价格方面，目前市面上铝材的价格大概20元/Kg，而工程塑料价格远远低于此价，如Table.2所示。
另外，在加工工艺方面，铝件一般初次成型以后（比如拉伸铝），还需要进行深加工处理，才能做成灯具的外形，并且通常还需做表面处理，如阳极或喷涂等；表面喷涂是一个非常复杂的工艺，一个典型的表面喷涂工艺如下：
led贴片模组物面清理→喷第一遍底漆→批第一道腻子→磨砂纸→批第二道腻子→砂纸打磨→喷第二遍底漆→批第三道腻子→水砂纸打磨→喷第三道底漆→水砂纸打磨→喷第一遍漆→水砂纸打磨→喷第二遍漆→水砂纸打磨→喷第三遍漆→擦砂蜡、上油蜡→擦亮。
这种工艺需要花费大量的人工成本。而塑料注塑可以一次成型，免去了深加工及表面处理等工序；同
时，就生产效率而言，塑料注塑工艺容易实现自动化，具有绝对的优势。这样就可以大大节约了工艺成本。
再次，鉴于灯具外壳表面本身就是绝缘的，LED灯具电源驱动可以采用非隔离电源案，而无需额外的电气绝缘隔离材料作防触电防护。相比隔电源，非隔离电源案具有高性能低成本特点，电源转换效率比隔离型电源要高3-5%，而成本则低10%左右，因此，采用非隔离电源与塑料外壳结合的LED灯具方案具有更高光效性能而低更具成本优势。
2）塑料外壳容易满足安规要求
金属粉末涂料
对于金属铝制散热外壳的灯具，当某些电子元器件失效，可能导致灯体外壳带电，存在安全隐患，因此，灯具的电气结构设计较为复杂。而塑料外壳灯具，由于塑料本身就是绝缘体，即使内部带电，塑料外壳仍可以起隔离作用，不会导致触电危险，简化了电气防触电保护设计。
3）注塑模具寿命较长
常用的金属铝散热片的模具寿命非常低，产能也相对较低。例如国产材料H13压铸模具，其压铸寿命只有几万件；而注塑模具寿命通常是几十万次，甚至更高。
4）注塑件利于外观造型设计功夫面
压铸工艺不擅于在线条上进行变化，导致铝件散热外壳造型单一；而注塑工艺则可以自由地设计很好的外观造型。
5）灯具重量大大减轻
LED灯具散热器常用的铝的密度是2.7克/立方厘米，而塑料材料密度远远小于铝。
在工艺和强度方面，铝件散热外壳必须具备一定厚度才能具备良好的散热效果和牢固的结构，因此结构会比较笨重；而塑料外壳由于不是起主要散热作用，一层薄薄的外壳足以满足要求。
3.2 塑料外壳的可行性分析
塑料材料的导热性能比金属差，塑料外壳内嵌的铝件是导热的关键部件。
铝件与外部空气进行热交换，首先要通过外层的塑料。这额外增加的一层热阻到底有多大呢？
下面先来做一个理论验证，Fig.3是一个简单的模型，该模型由两块板组成，上部分为塑料板，下部分为金属铝板，假设铝件表面有一功率为6W 的面热源，整个模型置于不导热的桌子上，环境温度为25°C 室温。
Fig.3塑胶板覆盖金属铝散热仿真模型
Fig.4为计算机仿真分析的结果，当覆盖塑料板时，铝板最高温度为66℃。移除上半部分塑料板，铝板最高温度为62℃。
通过上述例子可以看出，这层塑料结构仅仅提高了系统总热阻的10%而已，体现在温度上的差异，也只有4°C 。
塑料板 铝板
不导热的桌面
6W 热功耗
很黄很的动态图580期
覆盖塑料板 去掉塑料板
Fig.4覆盖和移除塑胶板前后散热仿真对比
从产品实现工艺上来看，通常采用镶嵌注塑或者两个零件用机械组装的方式简单内嵌。采用镶嵌注塑优点是金属铝件和外部的塑料外壳没有空气间隙，缺点是工艺成本较高。而简单机械组装，优点是工艺成本低，缺点是两者中间容易产生空气间隙。
那么，空气间隙对整个散热性能有多大影响呢？下面做一个理论推导：在Fig.3所示的模型基础上，假设金属铝板与塑料板之间有一个装配间隙，如图Fig.5所示。
Fig.5塑料外壳与金属存在空气间隙模型
下面对不同厚度的空气间隙进行了一系列仿真，结果如Fig.6和Table.5所示。从仿真结果可以看出，铝板的最高温度会因为存在空气间隙而显著增加，并随着空气间隙的加大而缓慢增加。因此，对于热设计有足够余量的产品，可以采用塑料外壳包裹金属的散热结构，但需要将空气间隙控制得越小越好。
Fig.6不同空气间隙条件下散热仿真
间隙=0.1mm 间隙=0.2mm 间隙
=0.4mm
塑料板
铝板
空气间隙
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