【大功率ＬＥＤ的散热设计】大功率led散热的结构.docx

【大功率ＬＥＤ的散热设计】大功率led散热的结构近年来，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7001m，发光效率为351m/W。2007年开发的100W白光LED，其光通量为60001m，发光效率为601m/W。又例如，Lumiled公司最近开发的K2白光LED，与其1，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XLampXR～E冷白光LED，其最高亮度挡Qs在350mA时光通量可达107～1141m。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。若采用中5白光LED来做则是不可能的。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。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(T)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T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。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T1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)。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。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，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。若LED的结温为T1，环境空气的温度为T1，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传导到空气了A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，则RCB=0，则上式可写成：RJA=RJC+RBA散热的计算公