LED散熱基礎(chǔ)培訓(xùn)教程(共67張)

1、目錄.熱學(xué)的基本概念.常見(jiàn)的散熱方式和相應(yīng)的理論計(jì)算方法.LED光源熱設(shè)計(jì)的相關(guān)信息.燈具散熱設(shè)計(jì)注意事項(xiàng).燈具熱測(cè)試的幾個(gè)重要條件.散熱技術(shù)7.LED熱量管理8.熱管理技術(shù)9.LED散熱的設(shè)計(jì)和選擇10.熱分析中常用的軟件11.其它新型散熱技術(shù)12.如何測(cè)量LED節(jié)溫LED燈具熱傳遞方式熱傳遞的三種基本方式為：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射，熱管理也從這三方面入手，分為瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析。散熱器的主要傳遞途徑為傳導(dǎo)和對(duì)流散熱，自然對(duì)流下的輻射散熱也是不容忽視的。一. 熱學(xué)基本概念1.1 熱傳導(dǎo) 在靜態(tài)介質(zhì)中存在溫度差時(shí)，不論介質(zhì)是固體還是液體，介質(zhì)中都會(huì)發(fā)生傳熱。此過(guò)程為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)是因存在溫差而發(fā)生的

2、能量的轉(zhuǎn)移。1.2對(duì)流 當(dāng)一個(gè)表面和一種運(yùn)動(dòng)的流體處于不同溫度時(shí)，它們之間發(fā)生的傳熱為對(duì)流1.3熱輻射 在所有具有溫度的表面上，都在以電磁波的形式在發(fā)射能量，此過(guò)程為熱輻射。熱對(duì)流換熱系數(shù)表二. 常見(jiàn)的散熱方式和相應(yīng)的理論計(jì)算方法2.4 散熱熱阻三. LED光源熱設(shè)計(jì)的相關(guān)信息四.燈具散熱設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)五. 燈具熱測(cè)試的幾個(gè)重要條件六. 散熱技術(shù)七. LED熱量管理在固態(tài)照明行業(yè)， LED 在亮度方面處于領(lǐng)先地位，它提供可回流焊設(shè)計(jì)，從而更加便于使用和熱量管理。采用 LED 的照明應(yīng)用不僅使光輸出最大化，而且提高了設(shè)計(jì)靈活性，同時(shí)將對(duì)環(huán)境的影響降到最低。它們?cè)趯I(yè)性和通用性照明應(yīng)用中都得到了廣泛

3、的使用。當(dāng)設(shè)計(jì)使用LED的照明系統(tǒng)時(shí)，最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)之一就是該系統(tǒng)從LED接合點(diǎn)排除熱量的能力。 LED接合點(diǎn)很高的工作溫度會(huì)破壞LED的性能，導(dǎo)致光輸出衰減和工作壽命減少。大多數(shù)LED失效機(jī)制都和溫度密切相關(guān)。LED接合點(diǎn)溫度的升高會(huì)導(dǎo)致光輸出的減少，加速芯片老化。 每種產(chǎn)品系列的最高接合點(diǎn)溫度都已在產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中列明。 接合點(diǎn)溫度主要受到三個(gè)參數(shù)的影響： LED周邊環(huán)境的溫度在LED接合點(diǎn)和外部條件間的導(dǎo)熱通道LED釋放的能量在設(shè)計(jì)帶有高功率LED的照明系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵循以下通用指導(dǎo)原則：成功進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)要考慮的最重要因素是，將需要移除的熱量降至最低。將LED驅(qū)動(dòng)電路和LED電路板隔開(kāi)非常重

4、要，只有這樣驅(qū)動(dòng)器所產(chǎn)生的熱能才不會(huì)導(dǎo)致LED接合點(diǎn)溫度升高。 下一個(gè)最有效的策略是將固燈具置里面的溫度降至最低。只要注意幾個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，這個(gè)目標(biāo)就能實(shí)現(xiàn)，比如說(shuō)考慮防止整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到整體功率密度的上限值的保守封裝設(shè)計(jì)。保證進(jìn)行自然對(duì)流冷卻的通路潔凈、暢通無(wú)阻也非常重要。 提高散熱片和LED間的熱傳導(dǎo)性對(duì)于熱管理非常有必要。盡管從散熱片上移除熱量是通過(guò)對(duì)流實(shí)現(xiàn)，從LED到散熱片的通道卻是通過(guò)傳導(dǎo)方式。最后，LED PCB電路板/散熱片的朝向在設(shè)計(jì)時(shí)也需要慎重考慮。 正確安裝電路板/散熱片非常重要，使散熱面保持垂直。 如果電路板平面是水平的，那么它將會(huì)阻止空氣對(duì)流的形成，這樣就會(huì)顯著降低系統(tǒng)的冷卻性

5、能。八. 熱管理技術(shù)熱阻兩點(diǎn)間的熱阻被定義為溫差和被釋放功率的比率。本文檔中計(jì)算所采用的單位是C/W。對(duì)于LED，兩個(gè)重要散熱通道的熱阻會(huì)影響LED接合點(diǎn)的溫度：從LED接合點(diǎn)到封裝底部的熱接觸點(diǎn)的熱阻。該熱阻由封裝設(shè)計(jì)控制。它被當(dāng)作焊點(diǎn)和外部環(huán)境間的熱阻(Rth j-sp)。從熱接觸點(diǎn)到外部環(huán)境條件， 這種熱阻被定義為焊點(diǎn)和外部環(huán)境間的通路。它被當(dāng)作焊點(diǎn)和外部環(huán)境間的熱阻(Rth sp-a)在LED接合點(diǎn)和外部環(huán)境(Rth j-a)間的總熱阻可以通過(guò)數(shù)學(xué)模型公式表示為數(shù)列熱阻Rth j-sp 和 Rth sp-a 的和釋放功率由LED（Pd）所釋放的總功率等于LED驅(qū)動(dòng)電壓(Vf)和驅(qū)動(dòng)電流

6、(If) 的乘積。 接合點(diǎn)溫度 LED接合點(diǎn)的溫度 (Tj)是外部環(huán)境溫度(Ta) 與釋放功率和結(jié)點(diǎn)與外部環(huán)境熱阻之乘積的和。 Tj = Ta + (Rth j-a x Pd)在大多數(shù)情況下，高功率LED將被安裝在金屬核心印刷電路板（PCB）上，該板會(huì)和一個(gè)散熱片相連接。熱量通過(guò)傳導(dǎo)方式從LED接合點(diǎn)流經(jīng)PCB，到達(dá)散熱片。散熱片通過(guò)對(duì)流方式將熱量散發(fā)到外部環(huán)境中去。在大多數(shù)LED應(yīng)用中，與LED接合點(diǎn)和導(dǎo)熱板之間，以及導(dǎo)熱板到外界環(huán)境之間相比，LED和PCB和/或散熱片之間的接觸熱阻還是相對(duì)較小的。當(dāng)使用散熱片時(shí)，總的熱阻是三個(gè)串聯(lián)電阻之和，它們分別是從接合點(diǎn)到焊接點(diǎn)(Rth j-sp)間的

7、熱阻與從焊接點(diǎn)到散熱片間的熱阻(Rth sp-h)，及從散熱片到外部環(huán)境間的熱阻(Rth h-a) Rth j-a = Rth j-sp + Rth sp-h + Rth h-a應(yīng)當(dāng)注意的是從LED封裝到外部環(huán)境的直接熱損失量非常小，以至于在計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。 決定所需散熱片的尺寸規(guī)格和種類的總體設(shè)計(jì)，目標(biāo)就是計(jì)算出散熱片最大熱阻值(Rth h-a)，該熱阻值將能夠使接合點(diǎn)溫度保持低于最惡劣工作環(huán)境下的最大值。例1 ：散熱片的熱阻在本例中，6個(gè)白色Xlamp 7090 LED被應(yīng)用于最高外部環(huán)境溫度達(dá)55C的情形中。假設(shè)在本例中，典型正向電壓為3.25V,驅(qū)動(dòng)電流為350mA，且電源在固定裝

8、置的外面，那么LED所消耗的總功率為：Ptotal = 6 x 0.350 A x 3.25 V = 6.825 W數(shù)據(jù)資料上所列出的從接合點(diǎn)到焊接點(diǎn)(Rth j-sp)的熱阻值為8C/W，最高接合點(diǎn)溫度為145C。 所以， Tj = Ta + Ptotal (Rth j-sp/6 + Rth sp-h + Rth h-a)在LED焊接點(diǎn)和散熱片間的熱阻值Rth sp-h 取決于包括表面拋光度、平整度、所施加的安裝應(yīng)力、接觸面積以及接口材料類型及其厚度在內(nèi)的多種因素。 如果有好的設(shè)計(jì)，那么它可以最低降至小于1C/W。能夠計(jì)算得出從散熱片到外部環(huán)境的最大熱阻(Rth h-a)。使用前面的等式，然

9、后導(dǎo)出Rth h-a:Rth h-a = (145C - 55C 8C/W x 6.825 W/6 1C/W x 6.825 W)/6.825 W = 10.85C/W 為了使得接合點(diǎn)的溫度在最惡劣工作環(huán)境下低于145C，我們必須選擇從散熱片到空氣間熱阻值低于10.85C/W的散熱片。也可以根據(jù)散熱片制造商所公布的數(shù)據(jù)或者通過(guò)建模和檢測(cè)來(lái)選擇具有所需特性的散熱片。九. LED散熱的設(shè)計(jì)和選擇為了設(shè)計(jì)和選擇散熱片，了解散熱片的工作原理非常有益。如果熱量從熱源（如一個(gè)LED的接合點(diǎn)）通過(guò)散熱片被傳送到周圍介質(zhì)中，通常會(huì)經(jīng)過(guò)以下四個(gè)連續(xù)步驟：1. 從熱源傳送到散熱片2. 從散熱片內(nèi)部傳導(dǎo)至其表面3.

10、 通過(guò)對(duì)流方式從散熱片表面?zhèn)魉偷街車?質(zhì)中散熱片的效率和性能是所采用的熱量傳輸模式的一項(xiàng)功能。散熱片為熱量從LED傳導(dǎo)流動(dòng)提供了通道。“埋在”在散熱片內(nèi)的熱量必須要移除，這樣才能使能量從熱源開(kāi)始進(jìn)行連續(xù)流動(dòng)。如果熱量一直“埋在”散熱片里，那么溫度將上升，這最終會(huì)導(dǎo)致熱源溫度過(guò)高。 散熱片能夠以下列三種方式釋放能量：傳導(dǎo)（從一個(gè)固體傳導(dǎo)到另一個(gè)固體）、對(duì)流（熱量從一個(gè)固體轉(zhuǎn)移到一種流體，對(duì)于大多數(shù)LED應(yīng)用來(lái)說(shuō)這種流體是空氣）或者輻射（熱量從兩個(gè)具有不同表面溫度的物體通過(guò)電磁波方式傳輸）。散熱片熱輻射是表面拋光度的一項(xiàng)功能，尤其是在散熱片溫度較高時(shí)。涂漆的表面比光亮但沒(méi)有著漆的表面擁有更好的熱

11、輻射性能。效果最顯著的是平板式散熱片，這種散熱片有大約三分之一的熱量都通過(guò)輻射移除。所用的漆色相對(duì)來(lái)說(shuō)并不重要。與同樣規(guī)格的表面粗糙且涂黑色漆的散熱片相比,涂白漆且表面光滑的平板式散熱片的熱阻只高出%。對(duì)于翼式散熱片，涂漆就不那么有效了，這是因?yàn)閺拇蠖鄶?shù)翼片所輻射出來(lái)的熱能最終會(huì)落在臨近的翼片上，盡管如此，涂漆仍然有其價(jià)值。陽(yáng)極電鍍和蝕刻將會(huì)降低熱阻。在選擇一個(gè)散熱片時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)考慮一系列因素：表面積 熱傳輸只會(huì)發(fā)生在散熱片的表面。所以，散熱片在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)擁有相對(duì)比較大的表面積。使用許多優(yōu)質(zhì)翼片或增加散熱片尺寸規(guī)格，都能夠達(dá)到這個(gè)目的?？諝鈩?dòng)力學(xué)特性 散熱片的設(shè)計(jì)需要要能使空氣很容易且很快速地流通。有許多個(gè)相互間距小的優(yōu)質(zhì)散熱翼片的散熱片,可能不能使空氣氣流很好地流通。必須在高表面積（許多個(gè)相互間距小的翼片）和良好空氣動(dòng)力學(xué)特性間進(jìn)行權(quán)衡。在散熱片內(nèi)部的熱傳輸：如果熱量不能到達(dá)它們，那么這些冷卻翼片就是無(wú)效的。散熱片設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)使其允許足夠的熱量從熱源傳輸?shù)揭砥?。比較厚一點(diǎn)的翼片具有好的熱傳導(dǎo)性；所以必須要在在較大表面積（多個(gè)薄翼片）和良好熱傳輸性（更厚的翼片）間實(shí)現(xiàn)平衡。所使用的材料對(duì)于散熱片內(nèi)部的熱傳輸有著顯著的影響。接觸面積的平整性：和LED或PCB相接觸的散熱片部分必須絕對(duì)平整。平整的接觸面允許使用一層更