專業(yè)LED燈具廠家為您計算LED燈散熱

　　LED與散熱

　　在熱模擬實驗中，LED有時會被模擬成簡單的電阻式加熱器，所有將進入LED的電功率假定會轉換成熱量并反過來從照明器發(fā)散出去。但這一假設存在一個問題，那就是太過保守：高亮度熒光轉換型白色LED一般會將30%的傳入電功率轉換為光，而寶藍色LED的轉換功率可大大超過50%。因此，高亮度LED發(fā)熱所需的總功率通常低于進入LED的總電功率。

　　若這一降低的發(fā)熱容量被不適當?shù)丶{入熱模擬中，預期的照明器內部溫度將過高，因而將需要采用更復雜、成本更高的散熱片設計。這對于那些需要從小型PCB板和散熱片發(fā)散特定熱量(5W-10W)的應用尤其重要，例如改造型的LED燈泡。要評估燈具或照明器的累計熱性能，設計商必須合理考慮傳入電功率將分別轉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的標稱通量和電壓，且是實際驅動電流及連接溫度的強函數(shù)，因此在同一個產品類別的不同LED設備之間得出結果差異較大。因而對于特定的LED產品類別而言，很難針對不同的驅動器條件、通量和電壓 BIN組合定義一個典型的WPE值。

　　LED燈珠散熱的計算方法：

　　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。

　　（2）輸入的電能中（約85%）因無效復合而產生的熱量；

　　2. LED的熱工模型

　?。?）LED芯片很微小，其熱容可忽略；

　?。?）在LED工作熱平衡后，Tj= Ta+RthjaPd，其中Rthja=LED的PN結與環(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%）轉化為熱量，一般計算中忽略轉化為光的部分能量（約15%），假設所有的電能都轉變成了熱；

　　二、LED熱阻的計算

　　1.熱阻的概念

　　熱阻：熱量傳導通道上兩個參考點之間的溫度差與兩點間熱量傳輸速率的比值。

　　2.分立LED熱阻的計算模型

　　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)阻抗模型計算：

　　4.幾種常見的1W大功率LED的熱阻計算

　　以Emitter（1mm×1mm芯片）為例，只考慮主導熱通道的影響，從理論上計算PN結到熱沉的熱阻Rthjs。

　　從以上計算可見：

　?、俟叹Чに噷ED熱阻有較大影響；

　　②倒裝芯片在導熱上比正裝芯片稍優(yōu)；

　?、壅b芯片/共晶固晶在導熱上并不比倒裝芯片差；

　　④目前實際制造的LED成品熱阻Rthjs比以上理論計算高出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，飽和電流點越低。

　　三、熱對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過復合直接發(fā)出光子，過程中不需要熱量。LED可以稱為冷光源。

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

　　（3）LED發(fā)光過程中會產生熱量，LED并非不會發(fā)熱的冷光源。

　　2.熱對LED性能和結構的影響

　　LED電致發(fā)光過程產生的熱量和工作環(huán)境溫度（Ta）的不同，引起LED芯片結溫Tj的變化。LED是溫度敏感器件，當溫度變化時，LED的性能和封裝結構都會受到影響，從而影響LED的可靠性。

　　(1) 光通量與溫度的關系

　?、俟馔咖秜與結溫Tj的關系

　　其中：Фv（Tj1）=結溫Tj1時的光通量

　　Фv（Tj2）=結溫Tj2時的光通量

　　ΔTj= Tj2 -Tj1

　　k=溫度系數(shù)

　?、诠馔颗c環(huán)境溫度的關系

　　Ta=100℃時，LED的光通量將下降至室溫時的一半左右。

　　LED的應用必須考慮溫度對光通量的影響。

　　(2)波長與結溫Tj的關系

　　λd（Tj2）=λd（Tj1）+kΔTj

　　(3)正向壓降Vf結溫Tj的關系

　　Vf（Tj2）= Vf（Tj1）+kΔTj

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

　　(4)熱對發(fā)光效率ηv的影響

　?。ǎ┰谳斎牍β室欢〞r：

　?。ǎ㎜ED內部會形成自加熱循環(huán)，如果不及時引導和消散LED的熱量，LED的發(fā)光效率將不斷降低。

　　(5)熱對LED出光通道的影響

　?。ǎ┘铀俪龉馔ǖ牢镔|的老化；

　?。ǎ┙档屯ǖ牢镔|的透光率；

　?。ǎ└淖兂龉馔ǖ牢镔|的折射率，影響光線的空間分布；

　?。ǎ﹪乐貢r改變出光通道結構。

　　(6)熱對LED電通道（歐姆接觸/固晶界面）的影響

　?。ǎ┮路庋b物質的膨脹或收縮；

　?。ǎ┓庋b物質的膨脹或收縮產生的形變應力，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LED壽命的影響

　　四、LED熱阻的測量

　　1.理論依據(jù)

　　半導體材料的電導率具有熱敏性，改變溫度可以顯著改變半導體中的載流子的數(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系?？梢哉J為半導體器件的正向壓降與結溫是線性變化關系。

　　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

　　①將LED置于溫度為Ta 的恒溫箱中足夠時間至熱平衡，Tj1= Ta ；

　?、谟玫碗娏鳎梢院雎云洚a生的熱量對LED的影響）If’=1mA,快速點測LED的Vf1；

　　③將LED置于溫度為Ta’(Ta’>Ta)的恒溫箱中足夠時間至熱平衡，Tj2= Ta’；

　?、苤貜筒襟E②，測得Vf2；

　?。?）測量LED在輸入電功率加熱狀態(tài)下的Vf變化

　　①將LED置于溫度為Ta的恒溫箱中，給LED輸入電功率Pd，使其產生自加熱；

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

　　③測量LED熱沉溫度Ts(取最高點)；

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

　?。?）數(shù)據(jù)處理

　　3. LED的波長隨結溫的變化也有良好的線性關系：

　　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的結溫Tj

　　1.常用的結溫測算方法

　　LED的結溫Tj無法直接測量，只能通過間接的方式進行測量估算。

　?。?）熱影像法

　　用精密熱影像儀聚焦LED芯片PN結層面，拍攝熱影像，對應出Tj。

　?。?）熱阻測量法

　　2.LED的最大額定結溫Tjmax：

　　為確保LED工作的可靠性，在應用中LED的結溫應盡可能低于最大額定結溫Tjmax。

　?。?）應用中的環(huán)境溫度Ta應低于最大環(huán)境溫度Tamax

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

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

　　3.降低LED結溫的途徑

　　（1）減少LED本身的熱阻；

　　（2）良好的二次散熱機構；

　?。?）減少LED與二次散熱機構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

　　通道結構

　　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瓶頸。

　?。?）通道材料——導熱系數(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.強化電通道的導/散熱功能

　　4.選用導/散熱性能更高的出光通道材料

　　七、LED應用中的導熱和散熱

　　1.依LED結溫TJ的要求設計二次散熱機構

　?、偃〉谜_的LED熱阻值Rthjs或Rthjb；

　?、谠u估LED工作時可能遭遇的最高環(huán)境溫度Tamax；

　?、蹫槭筁ED可靠地工作，最好將LED正常工作時的最大結溫Tjmax設定低于LED結溫的最大額定值Tjmax；

　?、艽_定不超出額定功率的最大輸入功率Pdmax；

　　⑤計算出

　?、抻嬎愣紊釞C構容許的最大熱阻

　　Rthsa= Rthja-Rthjs  ,   Rthba= Rthja-Rthjb

　　⑦依Rthsa或Rthba作為目標值，查對LED供應商提供的對應Rthsa或Rthba的散熱裝置要求，以決定符合應用需求的二次散熱機構的設計。

　　2.安裝工藝

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

　　輻射發(fā)光效率

　　對比之下，進行LED應用的熱評估時使用輻射發(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(通常印于設備的數(shù)據(jù)表上)獲取，且與WPE不同的是，LER值不因標稱通量和電壓或實際驅動電流和連接溫度而產生明顯變化。已知LER值的情況下，就可以通過以下公式計算出LED的總發(fā)熱量：

　　其中，菱形符號表示LER值，If表示驅動電流，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，對于一個典型LER值為 300lm/Wrad的熒光轉換型白色LED，假設其驅動電流為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。

　　當前熒光轉換型白色LED生產工藝所取得的進步使同一產品類別LED的精確色點控制成為可能，因此LER值更為一致。