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1、 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假设其光电转换效率为20%，那么有8W的电能转换成热能，假设不加散热措施，那么大功率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
2、。其原因是TJ对LED的出光率与寿命有较大影响：TJ越高会使LED的出光率越低，寿命越短。 K2系列白光LED的结温TJ与相对出光率的关系。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，那么降到0.8了。 ：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TJTJmax。 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系列的部结构、图3是NICH
3、IA公司NCCW022的部结构。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。 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。 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。假设LED的结温为TJ，环境空气的温度为TA,散热垫底部的温度为TcTJTcTA，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。假设管芯传
4、导到散热垫底面的热阻为RJCLED的热阻、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气的热阻为RBA,那么从管芯的结温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，那么RCB=0，那么上式可写成： RJA=RJC+RBA 散热的计算公式 假设结温为TJ、环境温度为TA、LED的功耗为PD,那么RJA与TJ、TA与PD的关系为： RJA=TJTA/PD (1) 式中PD的单位是W。PD与LED的正向压降VF与
5、LED的正向电流IF的关系为： PD=VFIF (2) 如果已测出LED散热垫的温度TC，那么(1)式可写成： RJA=(TJTC)/PD+(TCTA)/PD 那么RJC=(TJTC)/PD (3) RBA=(TCTA)/PD (4) 在散热计算中，中选择了大功率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；假设已测出TC的温度，那么按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与TA可以测出，PD可以求出，
6、那么RBA值可以计算出来。 假设计算出TJ来，代入1式可求出RJA。 这种通过试验、计算出TJ方法是基于用某种PCB与一定散热面积。如果计算出来的TJ小于要求或等于TJmax，那么可认为选择的PCB与面积适宜；假设计算来的TJ大于要求的TJmax，那么要更换散热性能更好的PCB，或者增加PCB的散热面积。 另外，假设选择的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TJTJmax。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
7、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。 其散热效果与铜层与金属层厚如度尺寸与绝缘介质的导热性有关。一般采用35m铜层与1.5mm铝合金的MCPCB。 柔*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。13W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。 计算举例 这里采用了NICHIA公司的测量TC的实例中取局部数据作为计算举例。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4040mm、t=1.6mm、焊接
8、面铜层面积1180mm2反面铜层面积1600mm2。 LED工作状态：IF=500mA、VF = 3.97V。 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=RJCPD+TC=RJCIFVF+TC TJ=16/W500mA3.97V +71=103 2.RBA计算 RJA=TCTA/PD =7125/1.99W =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，那么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，并再一次试验与计算，直到满足
9、TJTJmax为止。 另外一种方法是，在采用的LED的RJC值太大时，假设更换新型同类产品RJC=9/W(IF=500mA时VF=3.65V)，其他条件不变，TJ计算为： TJ=9/W500mA3.65V+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材质与面积，其TJ符合设计的要求。 PCB反面加散热片 假设计算出来的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反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L
10、ED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。 这里要说明的是，上述TC是在室温条件下测得的室温一般1530。假设LED灯使用的环境温度TA大于室温时，那么实际的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。假设测试时在恒温箱中进展，其温度调到使用时最高环境温度，为最正确。再谈大功率散热问题的解决大功率LED灯是否能正常工作,灯珠的质量好坏,与大功率LED的散热有直接关系.现在大功率LED灯散热都是采用自然散热.效果并不理想. LED大功率灯由LED;散热结构;驱动器;透镜组成. 散热局部是一个很重
11、要的局部. 散热的好坏直接影响大功率LED灯的使用寿命和条件。1.关于金属散热基板，目前有铝基板和铜基板，作为专业制造的金属基板的厂家，建议大家采用性价比高的铝基板。铜基板与铝基板的价格相差很多，铜基板在热的传导性方面是比铝要好，但本钱与重量比铝高得多了,建议用铝基板。再那么现在有些大功率LED厂家在大功率LED灯具上加一温控开关，并设定其温度值，当此处温度高于该值时就降低电流。缺点是灯光会暗一些,但是影响不打，故该方法还是可行的温度保护是必须的，产品不但需要同时也是对客户的负责。那多少温度保护才适宜呢？计算下吧。最高环境温度，夏天40，在夏日光暴晒50，50环境温度是实际的，参见一般大功率L
12、ED规格书结温度在120是可以承受的，芯片到铝基板的热阻，规格书一般推荐10-15，那LED基板要保证在120-15=105。好，保存温差取50-105中间值77.5，一般电子元器件工作温度在85是可靠的，77是符合这个原那么的。建议77开场启动保护，85前大幅度的减低电流，90彻底完成产品温度保护功能。一个值得回味的问题：为何不在温度还没有升起来的时候就控制一个较小的电流？这样使用户也不会觉得不适，同时温度又不会升得很快，甚至不会到达过高的温度。我觉得降低电流来减少发热，同时又不降低亮度是不现实的。这样就有了1W和3W大功率LED灯珠共体这种做法。也就是所在大功率温度升到一定的高的时候把大功
13、率从3W降到1W那样就不会让温度继续上升，有效控制了大功率LED的温度问题。总的来说：1.提高其发光效率。现现高功率LED已到达50-70LM/W，开展的方向将到达140lm/W以致更高。可以想象这将对热量问题从根本上改善。 2.加强散热。这是目前情况下有效的解决手段。我现在自已用的一个LED灯，用在床头照明用。不过不是高功率型的。是自已用白光LED做的。一开场电流太大，总烧灯仔。增加散热孔效果不很理想。计算后发现其电流到达56mA(分两路，每路约28mA)。后来重新计算了电流，更改元件，控制电流到15mA左右，热量有很大改观。当然亮度也不一样。我见过的方案是大功率路灯使用的，主要是使用铝基板
14、，铜基板经济性差一点，不过可以增加铜导热管。还有加风扇的，虽然风扇的寿命差一点，不过总比换LED划算，而且有两台风扇，采用温度保护，超温后逐渐开启2台风扇，然后还可以再在超温的同时关闭局部LED，以降低总功率，实际上和降低电流效果类似。所谓大功率LED只是相对于以前的LED而言，实际功率并不是很大，一般只有12W。在多的都是芯片叠加出来的，现在很多公司都在推出这种LED，你只要在电子工程专辑的上搜索一下LED，你会发现最近新推出的LED大都是大功率LED。 当LED的电流小于150mA是为小功率的LED(又叫LED).当流过LED的电流大于150mA时称为功率LED(HBLED). 也可以考虑热管导热,有液态单相和液态/气态两相。如果功率大了，这种就一定要用。CPU散热现在已经开场使用了。LED散热也偶然见到有人用。摘要：考虑热导率与散热方式的影响，使用大型有限元软件ANSYSl0.0模拟并分析了大功率LED热分布。通过分析不同封装、热沉材料与散热方式对LED热分布与最大散热能力的影响，指出解决LED散热问题的关键不是寻找高热导率的材料，而是改变LED的散热结构或者散热方式。1 引言目前，很多功率型LED的驱动电流到达70 mA、100 mA甚至1 A，这将会引起芯片部热量*，导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以与使用寿命缩短等一系列问题。业已经对
