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热阻与结温计算方法

大功率 LED 的散热设计
关键字:LED 散热结构 结温 散热措施 TJ 散热面积 关系曲线 大功率 允许温度 正向压降 大功率 LED 的散热设计 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。

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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(TJ)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 TJ 对 LED 的出光率及寿命有较大影响:TJ 越高会使 LED 的出光率越低,寿命越 短。

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图 2 K2 系列的内部结构 图 1 是 K2 系列白光 LED 的结温 TJ 与相对出光率的关系曲线。在 TJ=25℃时,相对 出光率为 1;TJ=70℃时相对出光率降为 0.9;TJ=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 TJ 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:TJ=50℃时,寿命为 90000 小时;TJ=80℃时,寿命降到 34000 小时;TJ=115℃时,其寿命只有 13300 小时了。TJ 在散热设计中要提出最大允许结温值 TJmax,实际的结温值 TJ 应小于或等于要求的 TJmax,即 TJ≤TJmax。

图 4 LED 与 PCB 焊接图

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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。 2 是 Lumiled 公司 K2 系列的内部结 图 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 TJ,环境空气的温度为 TA,散热垫底部 的温度为 Tc(TJ>Tc>TA),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 RJC(LED 的热阻)、散热垫传导到 PCB 面层敷铜层的热阻为 RCB、PCB

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传导到环境空气的热阻为 RBA,则从管芯的结温 TJ 传导到空气 TA 的总热阻 RJA 与各热阻 关系为: RJA=RJC+RCB+RBA 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, RCB=0, 则 则上式可写成: RJA=RJC+RBA 散热的计算公式 若结温为 TJ、环境温度为 TA、LED 的功耗为 PD,则 RJA 与 TJ、TA 及 PD 的关系为: RJA=(TJ-TA)/PD (1) 式中 PD 的单位是 W。PD 与 LED 的正向压降 VF 及 LED 的正向电流 IF 的关系为: PD=VF×IF (2) 如果已测出 LED 散热垫的温度 TC,则(1)式可写成: RJA=(TJ-TC)/PD+(TC-TA)/PD 则 RJC=(TJ-TC)/PD (3) RBA=(TC-TC)/PD (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 RJC 值;当确定 LED 的正向电流 IF 后,根据 LED 的 VF 可计算出 PD;若已测出 TC 的温度,则按(3)式可求 出 TJ 来。 在测 TC 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 IF 电流,等稳定后,用 K 型热电偶点温度计测 LED 的散热垫温度 TC。 在(4)式中,TC 及 TA 可以测出,PD 可以求出,则 RBA 值可以计算出来。 若计算出 TJ 来,代入(1)式可求出 RJA。

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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 TJ 小于要求(或等于)TJmax,则可认为选择的 PCB 及面积合适;若计算来的 TJ 大于要 求的 TJmax,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 RJC 值太大,在设计上也可以更换性能上更好并且 RJC 值更 小的大功率 LED,使满足计算出来的 TJ≤TJmax。这一点在计算举例中说明。

各种不同的 PCB 目前应用与大功率 LED 作散热的 PCB 有三种:普通双面敷铜板(FR4)、铝合金基敷 铜板(MCPCB)、柔性薄膜 PCB 用胶粘在铝合金板上的 PCB。 MCPCB 的结构如图 7 所示。各层的厚度尺寸如表 3 所示。

图 7 MCPCB 结构图 其散热效果与铜层及金属层厚如度尺寸及绝缘介质的导热性有关。一般采用 35μm 铜 层及 1.5mm 铝合金的 MCPCB。 柔性 PCB 粘在铝合金板上的结构如图 8 所示。一般采用的各层厚度尺寸如表 4 所示。 1~3W 星状 LED 采用此结构。 采用高导热性介质的 MCPCB 有最好的散热性能,但价格较贵。

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图 8 散热层结构图

计算举例 这里采用了 NICHIA 公司的测量 TC 的实例中取部分数据作为计算举例。 已知条件如下: LED:3W 白光 LED、型号 MCCW022、RJC=16℃/W。K 型热电偶点温度计测量头 焊在散热垫上。 PCB 试验板:双层敷铜板(40×40mm)、t=1.6mm、焊接面铜层面积 1180mm2 背面铜层面积 1600mm2。 LED 工作状态:IF=500mA、VF= 3.97V。 按图 9 用 K 型热电偶点温度计测 TC,TC=71℃。测试时环境温度 TA= 25℃. 1.TJ 计算 TJ=RJC×PD+TC=RJC(IF×VF)+TC

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TJ=16℃/W(500mA×3.97V) +71℃=103℃

图 9 TC 测量位置图 2.RBA 计算 RJA=(TC-TA)/PD =(71℃-25℃)/1.99W =23.1℃/W 3.RJA 计算 RJA=RJC+RBA =16℃/W+23.1℃/W =39.1℃/W 如果设计的 TJmax=90℃,则按上述条件计算出来的 TJ 不能满足设计要求,需要改 换散热更好的 PCB 或增大散热面积,并再一次试验及计算,直到满足 TJ≤TJmax 为止。

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另外一种方法是,在采用的 LED 的 RJC 值太大时,若更换新型同类产品 RJC=9℃ /W(IF=500mA 时 VF=3.65V),其他条件不变,TJ 计算为: TJ=9℃/W(500mA×3.65V)+71℃ =87.4℃ 上式计算中 71℃有一些误差,应焊上新的 9℃/W 的 LED 重新测 TC(测出的值比 71 ℃略小)。这对计算影响不大。采用了 9℃/W 的 LED 后不用改变 PCB 材质及面积,其 TJ 符合设计的要求。

PCB 背面加散热片 若计算出来的 TJ 比设计要求的 TJmax 大得多,而且在结构上又不允许增加面积时, 可考虑将 PCB 背面粘在“∪”形的铝型材上(或铝板冲压件上),或粘在散热片上,如图 10 所示。这两种方法是在多个大功率 LED 的灯具设计中常用的。例如,上述计算举例中,在 计算出 TJ=103℃的 PCB 背后粘贴一个 10℃/W 的散热片,其 TJ 降到 80℃左右。

图 10 “∪”形铝型材 这里要说明的是,上述 TC 是在室温条件下测得的(室温一般 15~30℃)。若 LED 灯使用的环境温度 TA 大于室温时, 则实际的 TJ 要比在室温测量后计算的 TJ 要高, 所以在 设计时要考虑这个因素。若测试时在恒温箱中进行,其温度调到使用时最高环境温度,为最 佳。 另外,PCB 是水平安装还是垂直安装,其散热条件不同,对测 TC 有一定影响,灯具的 外壳材料、尺寸及有无散热孔对散热也有影响。因此,在设计时要留有余地。

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结束语 采用一定散热面积的 PCB、 装上 LED 的试验板, LED 工作状态下测出 TC 再计算的 在 方法来作散热设计是一种简便、有效的方法,可以较好地设计出满足结温 TJmax 要求的散 热结构(PCB 材质及面积)。 这种散热设计方法除适用于大功率白光 LED 的照明灯具外,也适用于其他发光颜色的 大功率 LED 灯具,如警示灯、装饰灯等。

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