LED散热设计与计算公式

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1、word 格式-可编辑-感谢下载支持LED 散热设计与计算公式概论：LED总的电光转换效率约为54%,而在实际应用中是不足其理论的1/4,剩余的电能将以热能的形式释放，热由此而生，LED灯具热量上升直接影响有：发光效率，主波长不稳定，色温偏低,正向电压降低,反电流增大,效应里增大,材料劣化等等,热运动方式主要以： 热传导,热对流,热辐射。1. 热传导：温度不同的物体各部分之间或温度不同的各物体之间直接接触时,依靠分子、 原子即自由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递的现象2. 热对流：由系统内流体各部分之间发生相对位移,冷热流体相互掺混而产生的热量传递 现象称为热对流。3. 热幅射：由热运动产

2、生,热量以电磁波形式传递。散热涂料时利用热辐射的方式进行散热的( 热传导和热对流需要借助介质进行散热,而热辐射则不用,如真空)。对于高功率LED,短时间运行其最高允许结温为125C，而长期使用结温不允许超过110C，对于低功率LED，其最高允许结温为80C。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。一， LED 灯具热分析公式;T Ta + ( R X P ) + ( R X P )j Mthb-athj-spled式中：T LED理论结点温度，单位:CjRthb灯具散热部件总热阻，单位:C/W;thb-aPLED总功率，单位:WR 三

3、(T. - Ta-Rthj-sp i *)/Pthb-ajledTa-使用环境温度，单位:CPld单颗LED功率，单位:W;ledR h.单颗LED热阻.单位:C/W;thj-sp二，散热计算公式：RJA=RJC+RCB+RBA RJA= (TJ-TA) /PD PD=VFxIFRJA=(TJTC)/PD+(TCTA)/PDRJC=(TJTC)/PDRBA=(TC-TA)/PDTJ=RJCxPD+TC=RJC (IFxVF) +TC式中：TJ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

4、的能力的综合参量)，单位C/W,方程式中用“R ”或“e”表示。导热热阻：R=L/(KA), L为平板厚度；A为平板垂直于热流方向的截面积；K为平板材料的 导热率。对流换热热阻：R=1/ (hA), h为对流换热系数，A为换热面积；辐射热阻：1,对于两个物体表面的辐射：R=1/ (A1F1-2)或1/ (A2F2-1)2,对于物体与环境大气的辐射：R=1/(hrA)式中：A,A1, A2为物体互辐射的表面积；F1-2和F2-1为辐射角系数；hr为辐射换热系数;以上三种热阻或综合热阻也可以用以下的公式定义：R12= (T1-T2) /Q (T1T2)式中：T1, T2为某两点位置的温度；Q为通过

5、的1,2点的传导热速率，则R12为1,2点件的热阻。虽然热阻单位不同但其值是等效的，例：1C/W=1K/W四，接触热阻，单位E*K/W,在公式中用Rc表示对于单位面积的交界面接触热阻定义为：Rc=(T2A-T2B)/Q其中，T2A,T2B为两交接面的表面温度， Q 为通过交接面的传热速率。减少触热阻的措施：1. 增加借组部分面积，增加结合压力，减小结合面粗糙度，提高结合面的平面度，2. 选择导热率达界面流体，自然状态下界面空隙的流体多为空气，而空气的导热系数极低(0023W/m*k)而在界面涂上有较高的导热能力的物体五，散热器的设计及选择； 定义热边界条件(系统总的热耗散功率Q,最大工作的温度

6、TA元器最大允许工作温度TJ) ；估算系统热阻Rja= (Tj-Ta) /Q ；估算散热热阻Rba=(Tj-Ta)/Q-Rjb ；设计/选择散热器(根据估算的Rba为初始目标进行散热器的设计或从散热设备制造商 提供的规格数据选择合适的散热器)六，影响散热器性能的主要因素：1，散热器的材料材料热传导率K(W/m.K)比热容J/kgK-1C-1密度(g/cm3)热膨胀系数1/C银 silver4290.2410.50.0000196铜 cooper4010.398.690.0000166金 gold3171.2919.320.0000144铝 aluminum2370.92.7氧化铝0.00000

7、42AL6061铝合金1552.70.0000236AL6063铝合金2010.92.70.0000234ADC12960.92.7AL1070铝合金2260.92.7AL1050铝合金2090.92.70.0000236diamond 钻石23003.52铁807.37.70.00001176锡677.310.0000023铅34.811.3钢材58.27.8铝合金2032.7PVC0.191.34PA0.231.14松木0.170.45单层玻璃2.52.4陶瓷千如）6.792.7石墨水平:700垂直:30720水0.5564.181空气(25 C)0.024Cp =1.0032(J/g.C

8、v =0.7106, r=1.412c)1.293*0.00118硅脂3.62.4PC0.21.05ABS0.251.05PMMA0.181.18钢50.2(45 号钢4607.85瓷砖1.99水泥浆0.9不锈钢177.92，通过散热器的流体（气体）流畅的情况散热环境的气流形态一般分为自然对流，低速混合流动，告诉强迫对流，不同的气流条件，在同一散热要求则需要不同的散热体积(包络体积)3，鳞片条件虽然众多的参数(如鳞片形状，肋化效率等)可用来对散热片进行优化设计，但鳞片密 度是用的最多的一个评估参数，对于平板型鳞片散热器，其鳞片间间距与如下两个参数精 密联系，气流速度及鳞片在气流方向的长度。鳞片

9、条件同时影响着散热器的热阻和流阻，例如当散热体积一定时，增大有效散热面， 将减小热阻，有利于散热，但同时也难免增大流阻，影响散热，因此设计时应权衡考量。 4，与流体方向相关尺寸5，海拔高度和相对湿度 七，散热器的制程： 目前用来制造散热器的工艺主要有以下几种；疾、挤型(Extrusion)铸造(Casting)折叠(Folding)锻造(Forging)机械加工(Machining) 等等。1.铝挤压技术(Ex truded)铝挤压技术简单的说就是将铝锭高温加热至约520540C，在高压下让铝液流经具 有沟槽的挤型模具，作出散热片初胚，然再对散热片初胚进行裁剪、剖沟等处理后就做成了 我们常见到

10、的散热片。铝挤压技术较易实现，且设备成本相对较低，也使其在前些年的低端 市场得到广泛的应用。一般常用的铝挤型材料为AA6063，其具有良好热传导率约160180W/m.K)与加工性。不过由于受到本身材质的限制散热鳍片的厚度和长度之比不能超过1： 18, 所以在有限的空间内很难提高散热面积，故铝挤散热片散热效果比较差；注：铝挤在做PAR灯和其它灯时往往要在加工；工艺一般是：铝挤裁切车销清洗阳极(或它表面处理)缺点后加工较麻烦，特别是车销，因灯是圆的，所以在加工质量较难控制；优点模具简单;一个铝挤模可以经后加工出多款产品；铝压铸技术通过将铝锭(纯度92%左右)和合金材料熔解成液态后，填充入金属模型

11、内，利用压铸机直接压铸 成型，制成散热片，采用压注法可以将鳍片做成多种立体形状，散热片可依需求作成复杂形状，亦可配 合风扇及气流方向作出具有导流效果的散热片，形状可设计成像玩具那样，造型各异，方便各种方向连 接，另外，它硬度强度较高，同时可以与锌混合成锌铝合金。且能做出薄且密的鳍片来增加散热面积， 因工艺简单而被广泛采用。一般常用的压铸型铝合金为ADC12，由于压铸成型性良好，适用于做薄铸件， 但因热传导率较差约96 W/m.K)，现在国内多以AA1070铝料来做为压铸材料，其热传导率高达200word格式-可编辑-感谢下载支持W/m.K左右，具有良好的散热效果。不过，以AA1070铝合金压铸

12、散热器存在着一些其自身无法克服的 先天不足： 压铸时表面流纹及氧化渣过多，会降低热传效果。 冷却时内部微缩孔偏高，实质热传导率降低（K200 W/m.K）。 模具易受侵蚀，致寿命较短。 成型性差，不适合薄铸件。 材质较软，容易变型2. 压铸铝成型工艺分：工艺一般是：压铸成型粗抛光去合模余料一一细抛光或喷砂一一喷漆或电泳；另一方面，压铸铝生产过程，应有模具才能制造，其模具造价十分昂贵，比注塑模等其它模具均 高。同时，模具维修十分困难，设计出错误时难以减料修复。压铸铝缺点：每次生产加工数量应多，成本才低。抛光较复杂生产周期慢产品成本较注塑件高34倍左右。螺 丝孔要求应大一点（直径4.5mm ）连接

13、力才稳定3. 接合型制程这类散热器是先用铝或铜板做成鳍片，之后将它压固结合在具有沟槽的散热底座上。 结合型散热器的特点是鳍片突破原有的比例限制，散热效果好，而且还可以选用不同的材质 做鳍片。此制程之优点为散热器Pin-Fi比可高达60以上，散热效果佳，且鳍片可选用不同 材质制作。其缺点在于利用压固结合的鳍片与底座之间会存在界面阻抗问题，从而影响散热， 为了改善这些缺点，散热器领域又运用了 2种新技术。4. 扦焊扦焊是采用熔点比母材熔点低的金属材料作为焊料，在低于母材熔点而高于焊料熔点 的温度下，利用液态焊料润湿母材，填充接头间隙，然后冷凝形成牢固接合界面的焊接方法。主要工序有：材料前处理、组装

14、、加热焊接、冷却、后处理等工序。常用的扦焊方式是锡扦焊，铝表面在空气中会形成一层非常稳定的氧化层（AL2O3）,使铜 铝焊接难度较高，这是阻碍焊接的最大因素。必须要将其去除或采用化学方法将其去除后并 电镀一层镍或其它容易焊接的金属，这样铜铝（铝与铝）才能顺利焊接在一起。散热片是进 行热的传导，要求的不仅是机械强度，更重要的是焊接的面积要大焊着率要高），才能有效 地提升散热效能，否则不但不会提升散热效能，反而会使其比全铝合金的散热片更加糟糕。常见的后处理方法: 烤漆：喷漆后进烘房加温干燥工艺； 电泳：2电泳涂料在阴阳两极，施加于电压作用下，带电荷的涂料离子移动到阴 极，并与阴极表面所产生的碱性物质作用形成不溶解物，沉积于工件表面的過 程； 电镀：电镀就是利用电解的方式使金属或合金沉积在工件表面，以形成均匀、 致密、结合力良好的金属层的过程 喷塑：将塑料粉末喷涂在零件上的一种表面处理方法 阳极：将金属或合金的制件作为阳极，采用电解的方法使其表面形成氧化物薄 膜.备注：后处理一般要依灯具类别选用不同后处理方法；如室外灯对表处理要求较高，（如 盐务测试）一般会选用喷塑;不同表面处理对散热性能的影响