專業(yè)LED燈具廠家為您計(jì)算LED燈散熱

　　LED與散熱

　　在熱模擬實(shí)驗(yàn)中，LED有時(shí)會(huì)被模擬成簡單的電阻式加熱器，所有將進(jìn)入LED的電功率假定會(huì)轉(zhuǎn)換成熱量并反過來從照明器發(fā)散出去。但這一假設(shè)存在一個(gè)問題，那就是太過保守：高亮度熒光轉(zhuǎn)換型白色LED一般會(huì)將30%的傳入電功率轉(zhuǎn)換為光，而寶藍(lán)色LED的轉(zhuǎn)換功率可大大超過50%。因此，高亮度LED發(fā)熱所需的總功率通常低于進(jìn)入LED的總電功率。

　　若這一降低的發(fā)熱容量被不適當(dāng)?shù)丶{入熱模擬中，預(yù)期的照明器內(nèi)部溫度將過高，因而將需要采用更復(fù)雜、成本更高的散熱片設(shè)計(jì)。這對(duì)于那些需要從小型PCB板和散熱片發(fā)散特定熱量(5W-10W)的應(yīng)用尤其重要，例如改造型的LED燈泡。要評(píng)估燈具或照明器的累計(jì)熱性能，設(shè)計(jì)商必須合理考慮傳入電功率將分別轉(zhuǎn)換為光和熱的比例有多少。

　　如今LED行業(yè)常用的WPE方法被定義為LED總輻射功率與傳入LED總電功率的比率。由于WPE取決于LED的標(biāo)稱通量和電壓，且是實(shí)際驅(qū)動(dòng)電流及連接溫度的強(qiáng)函數(shù)，因此在同一個(gè)產(chǎn)品類別的不同LED設(shè)備之間得出結(jié)果差異較大。因而對(duì)于特定的LED產(chǎn)品類別而言，很難針對(duì)不同的驅(qū)動(dòng)器條件、通量和電壓 BIN組合定義一個(gè)典型的WPE值。

　　LED燈珠散熱的計(jì)算方法：

　　一、LED的熱工模型

　　1、LED熱量的來源

　　（1）來自工作環(huán)境的熱量。

　?。?）輸入的電能中（約85%）因無效復(fù)合而產(chǎn)生的熱量；

　　2. LED的熱工模型

　?。?）LED芯片很微小，其熱容可忽略；

　　（2）在LED工作熱平衡后，Tj= Ta+RthjaPd，其中Rthja=LED的PN結(jié)與環(huán)境之間的熱阻;   Pd= If ·Vf：LED的輸入功率。

　?。?）輸入電能中大部分（約85%）轉(zhuǎn)化為熱量，一般計(jì)算中忽略轉(zhuǎn)化為光的部分能量（約15%），假設(shè)所有的電能都轉(zhuǎn)變成了熱；

　　二、LED熱阻的計(jì)算

　　1.熱阻的概念

　　熱阻：熱量傳導(dǎo)通道上兩個(gè)參考點(diǎn)之間的溫度差與兩點(diǎn)間熱量傳輸速率的比值。

　　2.分立LED熱阻的計(jì)算模型

　　LED熱通道上各環(huán)節(jié)都存在熱阻，熱通道的簡化熱工模型是串聯(lián)熱阻回路。

　　3.集成LED陣列熱阻的計(jì)算模型

　　集成LED（假定熱阻一致）陣列熱阻利用并聯(lián)阻抗模型計(jì)算：

　　4.幾種常見的1W大功率LED的熱阻計(jì)算

　　以Emitter（1mm×1mm芯片）為例，只考慮主導(dǎo)熱通道的影響，從理論上計(jì)算PN結(jié)到熱沉的熱阻Rthjs。

　　從以上計(jì)算可見：

　?、俟叹Чに噷?duì)LED熱阻有較大影響；

　?、诘寡b芯片在導(dǎo)熱上比正裝芯片稍優(yōu)；

　　③正裝芯片/共晶固晶在導(dǎo)熱上并不比倒裝芯片差；

　　④目前實(shí)際制造的LED成品熱阻Rthjs比以上理論計(jì)算高出1倍左右，說明制造工藝水平還有很大的提升空間。

　　5.幾種常見LED的熱阻參考值

　　6.熱阻對(duì)光輸出飽和電流的影響

　　熱阻值越大，光輸出越容易飽和，飽和電流點(diǎn)越低。

　　三、熱對(duì)LED的影響

　　1、LED是冷光源嗎？

　?。?）LED的發(fā)光原理是電子與空穴經(jīng)過復(fù)合直接發(fā)出光子，過程中不需要熱量。LED可以稱為冷光源。

　?。?）LED的發(fā)光需要電流驅(qū)動(dòng)。輸入LED的電能中，只有約15%有效復(fù)合轉(zhuǎn)化為光，大部分（約85%）因無效復(fù)合而轉(zhuǎn)化為熱。

　?。?）LED發(fā)光過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，LED并非不會(huì)發(fā)熱的冷光源。

　　2.熱對(duì)LED性能和結(jié)構(gòu)的影響

　　LED電致發(fā)光過程產(chǎn)生的熱量和工作環(huán)境溫度（Ta）的不同，引起LED芯片結(jié)溫Tj的變化。LED是溫度敏感器件，當(dāng)溫度變化時(shí)，LED的性能和封裝結(jié)構(gòu)都會(huì)受到影響，從而影響LED的可靠性。

　　(1) 光通量與溫度的關(guān)系

　?、俟馔咖秜與結(jié)溫Tj的關(guān)系

　　其中：Фv（Tj1）=結(jié)溫Tj1時(shí)的光通量

　　Фv（Tj2）=結(jié)溫Tj2時(shí)的光通量

　　ΔTj= Tj2 -Tj1

　　k=溫度系數(shù)

　　②光通量與環(huán)境溫度的關(guān)系

　　Ta=100℃時(shí)，LED的光通量將下降至室溫時(shí)的一半左右。

　　LED的應(yīng)用必須考慮溫度對(duì)光通量的影響。

　　(2)波長與結(jié)溫Tj的關(guān)系

　　λd（Tj2）=λd（Tj1）+kΔTj

　　(3)正向壓降Vf結(jié)溫Tj的關(guān)系

　　Vf（Tj2）= Vf（Tj1）+kΔTj

　　k=ΔVf/ΔTj ：正向壓降隨結(jié)溫變化的系數(shù)，通常取-2.0mV/℃.

　　(4)熱對(duì)發(fā)光效率ηv的影響

　?。ǎ┰谳斎牍β室欢〞r(shí)：

　?。ǎ㎜ED內(nèi)部會(huì)形成自加熱循環(huán)，如果不及時(shí)引導(dǎo)和消散LED的熱量，LED的發(fā)光效率將不斷降低。

　　(5)熱對(duì)LED出光通道的影響

　?。ǎ┘铀俪龉馔ǖ牢镔|(zhì)的老化；

　　（）降低通道物質(zhì)的透光率；

　　（）改變出光通道物質(zhì)的折射率，影響光線的空間分布；

　?。ǎ﹪?yán)重時(shí)改變出光通道結(jié)構(gòu)。

　　(6)熱對(duì)LED電通道（歐姆接觸/固晶界面）的影響

　?。ǎ┮路庋b物質(zhì)的膨脹或收縮；

　?。ǎ┓庋b物質(zhì)的膨脹或收縮產(chǎn)生的形變應(yīng)力，使歐姆接觸/固晶界面的位移增大，造成LED開路和突然失效。

　　(7)熱對(duì)LED壽命的影響

　　四、LED熱阻的測量

　　1.理論依據(jù)

　　半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率具有熱敏性，改變溫度可以顯著改變半導(dǎo)體中的載流子的數(shù)量。禁帶寬度通常隨溫度的升高而降低，且在室溫以上隨溫度的變化具有良好的線性關(guān)系?？梢哉J(rèn)為半導(dǎo)體器件的正向壓降與結(jié)溫是線性變化關(guān)系。

　　只要監(jiān)測LED正向壓降Vf的改變，便可以確定其熱阻。

　　2.電壓法測量LED熱阻

　?。?）測量LED溫度系數(shù)k

　?、賹ED置于溫度為Ta 的恒溫箱中足夠時(shí)間至熱平衡，Tj1= Ta ；

　　②用低電流（可以忽略其產(chǎn)生的熱量對(duì)LED的影響）If’=1mA,快速點(diǎn)測LED的Vf1；

　?、蹖ED置于溫度為Ta’(Ta’>Ta)的恒溫箱中足夠時(shí)間至熱平衡，Tj2= Ta’；

　　④重復(fù)步驟②，測得Vf2；

　?。?）測量LED在輸入電功率加熱狀態(tài)下的Vf變化

　?、賹ED置于溫度為Ta的恒溫箱中，給LED輸入電功率Pd，使其產(chǎn)生自加熱；

　　②維持If恒定足夠時(shí)間，至LED工作熱平衡，此時(shí)Vf達(dá)至穩(wěn)定，記錄If、Vf；

　?、蹨y量LED熱沉溫度Ts(取最高點(diǎn))；

　?、芮袛噍斎腚姽β实碾娫?，立即（<10ms）進(jìn)行（1）之②步驟，測量Vf3。

　?。?）數(shù)據(jù)處理

　　3. LED的波長隨結(jié)溫的變化也有良好的線性關(guān)系：

　　Δλ= kΔTj，可以用類似的手段通過波長漂移法測量熱阻，但難度較電壓法稍大。

　　五、LED的結(jié)溫Tj

　　1.常用的結(jié)溫測算方法

　　LED的結(jié)溫Tj無法直接測量，只能通過間接的方式進(jìn)行測量估算。

　?。?）熱影像法

　　用精密熱影像儀聚焦LED芯片PN結(jié)層面，拍攝熱影像，對(duì)應(yīng)出Tj。

　?。?）熱阻測量法

　　2.LED的最大額定結(jié)溫Tjmax：

　　為確保LED工作的可靠性，在應(yīng)用中LED的結(jié)溫應(yīng)盡可能低于最大額定結(jié)溫Tjmax。

　　（1）應(yīng)用中的環(huán)境溫度Ta應(yīng)低于最大環(huán)境溫度Tamax

　?。?）為保證LED在使用中結(jié)溫不超出Tjmax，在不同的環(huán)境溫度（Ta）下，計(jì)算并確保輸入電流不超出Ifmax：

　?。ǔＲ姶蠊β蔐ED的最大額定結(jié)溫：120℃；Luxeon K2：185℃）

　　3.降低LED結(jié)溫的途徑

　?。?）減少LED本身的熱阻；

　?。?）良好的二次散熱機(jī)構(gòu)；

　?。?）減少LED與二次散熱機(jī)構(gòu)安裝界面之間的熱阻；

　?。?）控制額定輸入功率Pd；

　　（5）降低環(huán)境溫度Ta。

　　六、降低LED熱阻的途徑

　　1.降低芯片的熱阻

　　2.優(yōu)化熱通道

　　通道結(jié)構(gòu)

　　長度（L）越短越好；

　　面積（S）越大越好；

　　環(huán)節(jié)越少越好；

　　消除通道上的熱傳導(dǎo)瓶頸。

　?。?）通道材料——導(dǎo)熱系數(shù)λ越大越好;

　　（3）改良封裝工藝，令通道環(huán)節(jié)間的界面接觸更緊密可靠。

　　3.強(qiáng)化電通道的導(dǎo)/散熱功能

　　4.選用導(dǎo)/散熱性能更高的出光通道材料

　　七、LED應(yīng)用中的導(dǎo)熱和散熱

　　1.依LED結(jié)溫TJ的要求設(shè)計(jì)二次散熱機(jī)構(gòu)

　?、偃〉谜_的LED熱阻值Rthjs或Rthjb；

　?、谠u(píng)估LED工作時(shí)可能遭遇的最高環(huán)境溫度Tamax；

　?、蹫槭筁ED可靠地工作，最好將LED正常工作時(shí)的最大結(jié)溫Tjmax設(shè)定低于LED結(jié)溫的最大額定值Tjmax；

　?、艽_定不超出額定功率的最大輸入功率Pdmax；

　　⑤計(jì)算出

　?、抻?jì)算二次散熱機(jī)構(gòu)容許的最大熱阻

　　Rthsa= Rthja-Rthjs  ,   Rthba= Rthja-Rthjb

　?、咭繰thsa或Rthba作為目標(biāo)值，查對(duì)LED供應(yīng)商提供的對(duì)應(yīng)Rthsa或Rthba的散熱裝置要求，以決定符合應(yīng)用需求的二次散熱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

　　2.安裝工藝

　　導(dǎo)熱環(huán)節(jié)界面平整光滑，接觸緊密可靠，必要時(shí)可加散熱膏或粘合連接安裝，以確保將LED的熱量高效地引導(dǎo)到二次散熱機(jī)構(gòu)。

　　輻射發(fā)光效率

　　對(duì)比之下，進(jìn)行LED應(yīng)用的熱評(píng)估時(shí)使用輻射發(fā)光效率(LER)比WPE更具信服力，前者可以量化光源的可見光發(fā)光效率。更具體地講，LER被定義為光源的總適應(yīng)光通量(流明)除以其總輻射功率(瓦特)。LED的LER值可以直接從輻射光譜功率分布(通常印于設(shè)備的數(shù)據(jù)表上)獲取，且與WPE不同的是，LER值不因標(biāo)稱通量和電壓或?qū)嶋H驅(qū)動(dòng)電流和連接溫度而產(chǎn)生明顯變化。已知LER值的情況下，就可以通過以下公式計(jì)算出LED的總發(fā)熱量：

　　其中，菱形符號(hào)表示LER值，If表示驅(qū)動(dòng)電流，Vf表示操作條件下的正向壓，Φv表示操作條件下的總發(fā)光通量。例如，對(duì)于一個(gè)典型LER值為 300lm/Wrad的熒光轉(zhuǎn)換型白色LED，假設(shè)其驅(qū)動(dòng)電流為1000mA，發(fā)光通量為300lm，正向壓為2.9V，那么根據(jù)上文公式就可以算出其總發(fā)熱量為1.9W。

　　當(dāng)前熒光轉(zhuǎn)換型白色LED生產(chǎn)工藝所取得的進(jìn)步使同一產(chǎn)品類別LED的精確色點(diǎn)控制成為可能，因此LER值更為一致。