LED-散熱設(shè)計(jì)原理及結(jié)溫等相關(guān)技術(shù)參數(shù)的計(jì)算公式

LED散熱設(shè)計(jì)原理及結(jié)溫等相關(guān)技術(shù)參數(shù)的計(jì)算公式2023-01-1510:00:41

戴維大功率LED的散熱設(shè)計(jì)近年來(lái)，大功率LED開(kāi)展較快，在結(jié)構(gòu)和性能上都有較大的改良，產(chǎn)量上升、價(jià)格下降；還開(kāi)發(fā)出單顆功率為100W的超大功率白光LED。與前幾年相比擬，在發(fā)光效率上有長(zhǎng)足的進(jìn)步。例如，Edison公司前幾年的20W白光LED，其光通量為700lm，發(fā)光效率為35lm/W。2007年開(kāi)發(fā)的100W白光LED，其光通量為6000lm，發(fā)光效率為60lm/W。又例如，Lumiled公司最近開(kāi)發(fā)的K2白光LED，與其Ⅰ、Ⅲ系列同類(lèi)產(chǎn)品比擬如表1所示。從表中可以看出：K2白光LED在光通量、最大結(jié)溫、熱阻及外廓尺寸上都有較大的改良。Cree公司新推出的XLampXR～E冷白光LED，其最高亮度擋QS在350mA時(shí)光通量可達(dá)107～114lm。這些性能良好的大功率LED給開(kāi)發(fā)LED白光照明燈具創(chuàng)造了條件。前幾年，各種白光LED照明燈具主要是采用小功率Φ5白光LED來(lái)做的。如1～5W的燈泡、15～20W的管燈及40～60W的路燈、投射燈等。這些燈具使用了幾十到幾百個(gè)Φ5白光LED，生產(chǎn)工藝復(fù)雜、可靠性差、故障率高、外殼尺寸大，并且亮度缺乏。為改良上述缺點(diǎn)，這幾年逐步采用大功率白光LED來(lái)替代Φ5白光LED來(lái)設(shè)計(jì)新型燈具。例如，用18個(gè)2W的白光LED做成的街燈，假設(shè)采用Φ5白光LED那么要幾百個(gè)。另外，用一個(gè)1.25W的K2系列白光LED，可做成光通量為65lm的強(qiáng)光手電筒，照射距離可達(dá)幾十米。假設(shè)采用Φ5白光LED來(lái)做那么是不可能的。圖1結(jié)溫TJ與相對(duì)出光率關(guān)系圖用大功率LED做的燈具其價(jià)格比白熾燈、日光燈、節(jié)能燈要高得多，但它的節(jié)能效果及壽命比其他燈具也高的多。如果在路燈系統(tǒng)及候機(jī)大廳、大型百貨商場(chǎng)或超市、高級(jí)賓館大堂等用電大戶的公共場(chǎng)所全部采用LED燈具，其一次性投資較高，但長(zhǎng)期的節(jié)電效果及經(jīng)濟(jì)性都是值得期待的。目前主要采用1～3W大功率白光LED作照明燈，因?yàn)槠浒l(fā)光效率高、價(jià)格低、應(yīng)用靈活。大功率LED的散熱問(wèn)題LED是個(gè)光電器件，其工作過(guò)程中只有15%～25%的電能轉(zhuǎn)換成光能，其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱是個(gè)大問(wèn)題。例如，1個(gè)10W白光LED假設(shè)其光電轉(zhuǎn)換效率為20%，那么有8W的電能轉(zhuǎn)換成熱能，假設(shè)不加散熱措施，那么大功率LED的器芯溫度會(huì)急速上升，當(dāng)其結(jié)溫〔TJ〕上升超過(guò)最大允許溫度時(shí)〔一般是150℃另外，一般功率器件〔如電源IC〕的散熱計(jì)算中，只要結(jié)溫小于最大允許結(jié)溫溫度〔一般是125℃〕就可以了。但在大功率LED散熱設(shè)計(jì)中，其結(jié)溫TJ要求比125圖2K2系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1是K2系列白光LED的結(jié)溫TJ與相對(duì)出光率的關(guān)系曲線。在TJ=25℃時(shí)，相對(duì)出光率為1；TJ=70℃時(shí)相對(duì)出光率降為0.9；TJ=表2是Edison公司給出的大功率白光LED的結(jié)溫TJ在亮度衰減70%時(shí)與壽命的關(guān)系〔不同LED生產(chǎn)廠家的壽命并不相同，僅做參考〕。圖3NCCWO22的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在表2中可看出：TJ=50℃時(shí)，壽命為90000小時(shí)；TJ=80℃時(shí)，壽命降到34000小時(shí)；TJ=圖4LED與PCB焊接圖大功率LED的散熱路徑.大功率LED在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是十分重視散熱的。圖2是Lumiled公司K2系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、圖3是NICHIA公司NCCW022的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從這兩圖可以看出：在管芯下面有一個(gè)尺寸較大的金屬散熱墊，它能使管芯的熱量通過(guò)散熱墊傳到外面去。圖5雙層敷銅層散熱結(jié)構(gòu)大功率LED是焊在印制板〔PCB〕上的，如圖4所示。散熱墊的底面與PCB的敷銅面焊在一起，以較大的敷銅層作散熱面。為提高散熱效率，采用雙層敷銅層的PCB，其正反面圖形如圖5所示。這是一種最簡(jiǎn)單的散熱結(jié)構(gòu)。圖6散熱路徑圖熱是從溫度高處向溫度低處散熱。大功率LED主要的散熱路徑是：管芯→散熱墊→印制板敷銅層→印制板→環(huán)境空氣。假設(shè)LED的結(jié)溫為T(mén)J，環(huán)境空氣的溫度為T(mén)A,散熱墊底部的溫度為T(mén)c〔TJ＞Tc＞TA〕，散熱路徑如圖6所示。在熱的傳導(dǎo)過(guò)程中，各種材料的導(dǎo)熱性能不同，即有不同的熱阻。假設(shè)管芯傳導(dǎo)到散熱墊底面的熱阻為RJC〔LED的熱阻〕、散熱墊傳導(dǎo)到PCB面層敷銅層的熱阻為RCB、PCB傳導(dǎo)到環(huán)境空氣的熱阻為RBA,那么從管芯的結(jié)溫TJ傳導(dǎo)到空氣TA的總熱阻RJA與各熱阻關(guān)系為：RJA=RJC+RCB+RBA各熱阻的單位是℃/W?？梢赃@樣理解：熱阻越小，其導(dǎo)熱性能越好，即散熱性能越好。如果LED的散熱墊與PCB的敷銅層采用回流焊焊在一起，那么RCB=0，那么上式可寫(xiě)成：RJA=RJC+RBA散熱的計(jì)算公式假設(shè)結(jié)溫為T(mén)J、環(huán)境溫度為T(mén)A、LED的功耗為PD,那么RJA與TJ、TA及PD的關(guān)系為：RJA=〔TJ－TA〕/PD(1)式中PD的單位是W。PD與LED的正向壓降VF及LED的正向電流IF的關(guān)系為：PD=VF×IF(2)如果已測(cè)出LED散熱墊的溫度TC，那么(1)式可寫(xiě)成：RJA=(TJ－TC)/PD+(TC－TA)/PD那么RJC=(TJ－TC)/PD(3)RBA=(TC－TA)/PD(4)在散熱計(jì)算中，中選擇了大功率LED后，從數(shù)據(jù)資料中可找到其RJC值；當(dāng)確定LED的正向電流IF后，根據(jù)LED的VF可計(jì)算出PD；假設(shè)已測(cè)出TC的溫度，那么按〔3〕式可求出TJ來(lái)。在測(cè)TC前，先要做一個(gè)實(shí)驗(yàn)板〔選擇某種PCB、確定一定的面積〕、焊上LED、輸入IF電流，等穩(wěn)定后，用K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)LED的散熱墊溫度TC。在〔4〕式中，TC及TA可以測(cè)出，PD可以求出，那么RBA值可以計(jì)算出來(lái)。假設(shè)計(jì)算出TJ來(lái)，代入〔1〕式可求出RJA。這種通過(guò)試驗(yàn)、計(jì)算出TJ方法是基于用某種PCB及一定散熱面積。如果計(jì)算出來(lái)的TJ小于要求〔或等于〕TJmax，那么可認(rèn)為選擇的PCB及面積適宜；假設(shè)計(jì)算來(lái)的TJ大于要求的TJmax，那么要更換散熱性能更好的PCB，或者增加PCB的散熱面積。另外，假設(shè)選擇的LED的RJC值太大，在設(shè)計(jì)上也可以更換性能上更好并且RJC值更小的大功率LED，使?jié)M足計(jì)算出來(lái)的TJ≤TJmax。這一點(diǎn)在計(jì)算舉例中說(shuō)明。各種不同的PCB目前應(yīng)用與大功率LED作散熱的PCB有三種：普通雙面敷銅板〔FR4〕、鋁合金基敷銅板〔MCPCB〕、柔性薄膜PCB用膠粘在鋁合金板上的PCB。MCPCB的結(jié)構(gòu)如圖7所示。各層的厚度尺寸如表3所示。圖7MCPCB結(jié)構(gòu)圖其散熱效果與銅層及金屬層厚如度尺寸及絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱性有關(guān)。一般采用35μm銅層及1.5mm鋁合金的MCPCB。柔性PCB粘在鋁合金板上的結(jié)構(gòu)如圖8所示。一般采用的各層厚度尺寸如表4所示。1～3W星狀LED采用此結(jié)構(gòu)。采用高導(dǎo)熱性介質(zhì)的MCPCB有最好的散熱性能，但價(jià)格較貴。圖8散熱層結(jié)構(gòu)圖計(jì)算舉例這里采用了NICHIA公司的測(cè)量TC的實(shí)例中取局部數(shù)據(jù)作為計(jì)算舉例。條件如下：LED：3W白光LED、型號(hào)MCCW022、RJC=16℃/WPCB試驗(yàn)板：雙層敷銅板〔40×40mm〕、t=1.6mm、焊接面銅層面積1180mm2反面銅層面積1600mm2。LED工作狀態(tài)：IF=500mA、VF=3.97V。按圖9用K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)TC，TC=71℃。測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度TA=251.TJ計(jì)算TJ=RJC×PD+TC=RJC〔IF×VF〕+TCTJ=16℃/W+71℃=圖9TC測(cè)量位置圖2.RBA計(jì)算RJA=〔TC－TA〕/PD=〔71℃－25=23.1℃3.RJA計(jì)算RJA=RJC+RBA=16℃/W+23.1=39.1℃如果設(shè)計(jì)的TJmax=90℃另外一種方法是，在采用的LED的RJC值太大時(shí)，假設(shè)更換新型同類(lèi)產(chǎn)品RJC=9℃/W(IF=500mATJ=9℃/W〔500mA×3.65V〕+=87.4上式計(jì)算中71℃有一些誤差，應(yīng)焊上新的9℃/W的LED重新測(cè)TC〔測(cè)出的值比71℃略小〕。這對(duì)計(jì)算影響不大。采用了PCB反面加散熱片假設(shè)計(jì)算出來(lái)的TJ比設(shè)計(jì)要求的TJmax大得多，而且在結(jié)構(gòu)上又不允許增加面積時(shí)，可考慮將PCB反面粘在“∪〞形的鋁型材上〔或鋁板沖壓件上〕，或粘在散熱片上，如圖10所示。這兩種方法是在多個(gè)大功率LED的燈具設(shè)計(jì)中常用的。例如，上述計(jì)算舉例中，在計(jì)算出TJ=103℃的PCB背后粘貼一個(gè)10℃/W的散熱片，其TJ降到圖10“∪〞形鋁型材這里要說(shuō)明的是，上述TC是在室溫條件下測(cè)得的〔室溫一般15～30℃〕。假設(shè)LED燈使用的環(huán)境溫度TA大于室溫時(shí)，那么實(shí)際的TJ要比在室溫測(cè)量后計(jì)算的TJ要高，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這個(gè)因素。假設(shè)測(cè)試時(shí)在恒溫箱中進(jìn)行，其溫度調(diào)到使用時(shí)最高環(huán)境溫度，為最正確。另外，PCB是水平安裝還是垂直安裝，其散熱條件不同，對(duì)測(cè)TC有一定