[图文]大功率LED的散热设计(图)

    近年来，大功率LED发展较快，在结构和性能上都有较大的改进，产量上升、价格下降；还开发出单颗功率为100W的超大功率白光LED。与前几年相比较，在发光效率上有长足的进步。例如，Edison公司前几年的20W白光LED，其光通量为700lm，发光效率为35lm/W。2007年开发的100W白光LED，其光通量为6000lm，发光效率为60lm/W。又例如，Lumiled公司最近开发的K2白光LED，与其Ⅰ、Ⅲ系列同类产品比较如表1所示。从表中可以看出：K2白光LED在光通量、最大结温、热阻及外廓尺寸上都有较大的改进。Cree公司新推出的XLamp XR～E冷白光LED，其最高亮度挡QS在350mA时光通量可达107～114lm。这些性能良好的大功率LED给开发LED白光照明灯具创造了条件。

前几年，各种白光LED照明灯具主要是采用小功率Φ5白光LED来做的。如1～5W的灯泡、15～20W的管灯及40～60W的路灯、投射灯等。这些灯具使用了几十到几百个Φ5白光LED，生产工艺复杂、可靠性差、故障率高、外壳尺寸大，并且亮度不足。为改进上述缺点，这几年逐步采用大功率白光LED来替代Φ5白光LED来设计新型灯具。例如，用18个2W的白光LED做成的街灯，若采用Φ5白光LED则要几百个。另外，用一个1.25W的K2系列白光LED，可做成光通量为65lm的强光手电筒，照射距离可达几十米。若采用Φ5白光LED来做则是不可能的。

图1  结温TJ与相对出光率关系图

用大功率LED做的灯具其价格比白炽灯、日光灯、节能灯要高得多，但它的节能效果及寿命比其他灯具也高的多。如果在路灯系统及候机大厅、大型百货商场或超市、高级宾馆大堂等用电大户的公共场所全部采用LED灯具，其一次性投资较高，但长期的节电效果及经济性都是值得期待的。

目前主要采用1～3W大功率白光LED作照明灯，因为其发光效率高、价格低、应用灵活。

 

大功率LED的散热问题
LED是个光电器件，其工作过程中只有15%～25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。在大功率LED中，散热是个大问题。例如，1个10W白光LED若其光电转换效率为20%，则有8W的电能转换成热能，若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温（T_J）上升超过最大允许温度时（一般是150℃），大功率LED会因过热而损坏。因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。

另外，一般功率器件（如电源IC）的散热计算中，只要结温小于最大允许结温温度（一般是125℃）就可以了。但在大功率LED散热设计中，其结温TJ要求比125℃低得多。其原因是T_J对LED的出光率及寿命有较大影响：T_J越高会使LED的出光率越低，寿命越短。

图2  K2系列的内部结构

图1是K2系列白光LED的结温T_J与相对出光率的关系曲线。在T_J=25℃时，相对出光率为1；T_J=70℃时相对出光率降为0.9；T_J=115℃时，则降到0.8了。
表2是Edison公司给出的大功率白光LED的结温T_J在亮度衰减70%时与寿命的关系（不同LED生产厂家的寿命并不相同，仅做参考）。

图3  NCCWO22的内部结构

在表2中可看出：T_J=50℃时，寿命为90000小时；T_J=80℃时，寿命降到34000小时；T_J=115℃时，其寿命只有13300小时了。T_J在散热设计中要提出最大允许结温值T_Jmax,实际的结温值T_J应小于或等于要求的T_Jmax,即TJ≤T_Jmax。

图4  LED与PCB焊接图

大功率LED的散热路径.
大功率LED在结构设计上是十分重视散热的。图2是Lumiled公司K2系列的内部结构、图3是NICHIA公司NCCW022的内部结构。从这两图可以看出：在管芯下面有一个尺寸较大的金属散热垫，它能使管芯的热量通过散热垫传到外面去。

图5  双层敷铜层散热结构

大功率LED是焊在印制板（PCB）上的，如图4所示。散热垫的底面与PCB的敷铜面焊在一起，以较大的敷铜层作散热面。为提高散热效率，采用双层敷铜层的PCB，其正反面图形如图5所示。这是一种最简单的散热结构。

图6  散热路径图

热是从温度高处向温度低处散热。大功率LED主要的散热路径是：管芯→散热垫→印制板敷铜层→印制板→环境空气。若LED的结温为T_J，环境空气的温度为T_A,散热垫底部的温度为T_c（T_J＞T_c＞T_A），散热路径如图6所示。

在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。若管芯传导到散热垫底面的热阻为R_JC（LED的热阻）、散热垫传导到P_CB面层敷铜层的热阻为R_CB、P_CB传导到环境空气的热阻为R_BA,则从管芯的结温T_J传导到空气T_A的总热阻R_JA与各热阻关系为：

R_JA=R_JC+R_CB+R_BA
各热阻的单位是℃/W。

可以这样理解：热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。  

 

如果LED的散热垫与PCB的敷铜层采用回流焊焊在一起，则R_CB=0，则上式可写成：
R_JA=R_JC+R_BA

散热的计算公式
若结温为T_J、环境温度为T_A、LED的功耗为P_D,则R_JA与T_J、T_A及P_D的关系为：
R_JA=（T_J－T_A）/P_D        (1)

式中P_D的单位是W。P_D与LED的正向压降V_F及LED的正向电流I_F的关系为：
P_D=V_F×I_F                      (2)

如果已测出LED散热垫的温度T_C，则(1)式可写成：
R_JA=(T_J－T_C)/P_D+(T_C－T_A)/P_D                 
则R_JC=(T_J－T_C)/P_D         (3)

R_BA=(T_C－T_C)/P_D           (4)

在散热计算中，当选择了大功率LED后，从数据资料中可找到其R_JC值；当确定LED的正向电流I_F后，根据LED的V_F可计算出PD；若已测出T_C的温度，则按（3）式可求出T_J来。

在测T_C前，先要做一个实验板（选择某种PCB、确定一定的面积）、焊上LED、输入I_F电流，等稳定后，用K型热电偶点温度计测LED的散热垫温度T_C。
在（4）式中，T_C及T_A可以测出，P_D可以求出，则R_BA值可以计算出来。

若计算出TJ来，代入（1）式可求出R_JA。

这种通过试验、计算出TJ方法是基于用某种PCB及一定散热面积。如果计算出来的T_J小于要求（或等于）T_Jmax，则可认为选择的PCB及面积合适；若计算来的T_J大于要求的T_Jmax，则要更换散热性能更好的PCB，或者增加PCB的散热面积。

另外，若选择的LED的R_JC值太大，在设计上也可以更换性能上更好并且R_JC值更小的大功率LED，使满足计算出来的T_J≤T_Jmax。这一点在计算举例中说明。

 

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