灯珠结温和散热面积计算理论

《灯珠结温和散热面积计算理论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《灯珠结温和散热面积计算理论（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、灯珠结温和散热面积计算理论灯珠结温和散热面积计算理论一、基础理论大功率 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 150C）,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

2、温度（一般是125C ）就可以了。但在大功率LED散热设 计中，其结温J要求比125C低得多。其原因是J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。K2系列白光LED的结温J与相对出光率的关系。在TJ=25C时，相对 出光率为1; TJ=70C时相对出光率降为0.9； TJ=115C时，则降到 0.8 了； TJ=50C时，寿命为90000小时；TJ=80C时，寿命降到34000 小时；TJ=115C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 TjWTJmax。大功率LE

3、D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。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，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5其正反面图形如图处散热。大功率LED 主要的散热路径是：管芯散热垫印制板敷铜 层f印制板f环境空气。若LED的结温为TJ,环境空气的温度

4、为TA, 散热垫底部的温度为Tc (TJTcTA),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C/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RCB=0,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、L

5、ED的功耗为PD,则RJA与TJ、TA及PD的关系为：RJA= (TJ-TA) /PD 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=VFX IF(2)如果已测出LED散热垫的温度TC,贝0(1)式可写成： RJA=(TJ-TC)/PD+(TC-TA)/PD则 RJC=(TJ-TC)/PD (3)RBA=(TC-TA)/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J来。在测TC前，先要做一个实验板（选择某种PCB、确定一定

6、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。这种通过试验、计算出 TJ 方法是基 3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J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TjWTJmax。这

7、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PCBoMCPCB的结构如图7所示。各层的厚度尺寸如表3所示。其散热效果与铜层及金属层厚如度尺寸 及绝缘介质的导热性有关。一般釆用35um铜层及1.5mm铝合金的 MCPCBo 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的实例中取部分数据作 为计算

8、举例。已知条件如下:LED： 3W白光LED、型号MCCW022、RJC=16C /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(4OX40mm)、t=16mm、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。用 K 型热电偶点 温度计测TC, TC=71C。测试时环境温度TA = 25C.1. TJ计算TJ=RJCXPD+TC=RJC (IFXVF) +TCTJ=16C/W (500mAX3.97V) +71C=103C2. RBA计算RJA=(TCTA)/PD=(71C25C)/199W=231C/

9、W3. RJA计算RJA=RJC+RBA =16C/W+231C/W =391C/W4如果设计的TJmax=90C,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TjWTJmax为止。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=9C/W(IF=500mA时VF=365V)，其他条件不变，TJ 计算为：TJ=9C/W (500mAX3.65V) +71C=87.4C上式计算中71C有一些误差，应焊上新的9C/W的LED重新测TC(测 出的值比71C略小)。这对计算影响不大。采用了 9C/W的LE

10、D后不 用改变PCB材质及面积，其J符合设计的要求。PCB 背面加散热片若计算出来的J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U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=103C 的PCB背后粘贴一个10C/W的散热片，其TJ降到80C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1530C）。 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

11、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。1、能够熟练使用热分析软件进行设计与仿真，如：Fluent、Ansys、Desingspace 等；2、熟练使用 zemax、lightools、tracepro 等光学设计软件中的一种或几种。5二、计算公式 导热公式导热过程中传递的热量按照Fourier导热定律计算：Q=入 A(Th-Tc)/ 5其中： A 为与热量传递方向垂直的面积，单位为 m2;Th 与 Tc 分别为高温与低温面的温度，5为两

12、个面之间的距离，单位为 m。入为材料的导热系数，单位为W/(m*C),表示了该材料导热能力的 大小。一般说，固体的导热系数大于液体，液体的大于气体。例如常 温下纯铜的导热系数高达400W/(m*C),纯铝的导热系数为 236W/(m*C),水的导热系数为06 W/(m*C)，而空气仅0.025W/(m*C)左右。铝的导热系数高且密度低，所以散热器基本 都采用铝合金加工，但在一些大功率芯片散热中，为了提升散热性能， 常采用铝散热器嵌铜块或者铜散热器。对流换热公式6对流换热的热量按照牛顿冷却定律计算：Q=hA(Tw -Tair )其中：A 为与热量传递方向垂直的面积，单位为 m2 ;Th与Tc分别

13、为固体壁面与流体的温度，h是对流换热系数，自然对流时换热系数在110W/(C*m2 )量级，实际应用时一般不会超 过35W/(C*m2);强制对流时换热系数在10100W/(C*m2) 量级，实际应用时一般不会超过30W/(C*m2)。热阻的概念公式 对导热和对流换热的公式进行变换：Fourier 导热公式：Q= A(Th-Tc)/ 8Q=(ThTc)/ 8 /(入A)Newton 对流换热公式：Q= a A(Tw-Tair) Q=(Tw-Tair)/(1/a A)热量传递过程中，温度差是过程的动力，好象电学中的电压，换热 量是被传递的量，好像电学中的电流，因而上式中的分母可以用电学 中的电阻

14、概念来理解成导热过程的阻力，称为热阻(thermal resistance)，单位为C/W,其物理意义就是传递1W的热量需要多少度温差。在 热设计中将热阻标记为R或。8 /(入A)是导热热阻，1/ a A是对流换 热热阻。器件的资料中一般都会提供器件的Rjc和Rja热阻，Rjc是器件的结到壳的导热热阻;Rja是器件的结到壳导热热阻和壳与外界环境的对流换热 热阻之和。这些热阻参数可以根据实验测试获得，也可以根据详细的器件 内部结构计算得到。根据这些热阻参数和器件的热耗，就可以计算得到 器件的结温。7C,而长期使用结温不允许，短时间运行其最高允许结温为125对于 高功率LED 80COC，对于低功

15、率LED，其最高允许结温为超过110 在散热设计中我们通常考虑几个方面：导热材料,传导介质,热能位 置，吸热界面，热流方向，环境温度等等。;LED灯具热分析公式一，TT）/P（- Ta-Rthj-sp * PR W Ta + （ X P ） + （ R X P ）式ledthj-SjBdjshb-ethb-aj中：T C单位：Ta-一使用环境温度，单位LED理论结点温度，C:W;j，单位P单颗LED功率:C/W;R灯具散热部件总热阻，单位led-t-h-b-a-/-W;led-t-h-b-aC.单位：R单颗LED热阻 总功率，单位:WPLEDthj-sp二,散热计算公式：RJA=RJC+RCB+RBARJA=（TJTA）/PDPD=VFXIFRJA=（TJTC）/PD+（TCTA）/PDRJC=（TJTC）/PDRBA=（TCTA）/PDTJ=RJCXPD+TC=RJC（IFXVF）+TC式中：J是结温；TA是工作环境温度；TC是散热垫底部的温度；RJA是总热阻；RJC是LED热阻；RCB敷铜层热阻；RBA是环境空气热 阻；三，热阻(表征阻止热量传递的能力的综合参量)，单位C/W，方程式中用“R”或表示。导热热阻：R=L/ (KA), L为平板