大功率LED的散熱設(shè)計(jì)

..近年來(lái),大功率LED發(fā)展較快,在結(jié)構(gòu)和性能上都有較大的改進(jìn),產(chǎn)量上升、價(jià)格下降；還開(kāi)發(fā)出單顆功率為100W的超大功率白光LED。與前幾年相比較,在發(fā)光效率上有長(zhǎng)足的進(jìn)步。例如,Edison公司前幾年的20W白光LED,其光通量為700lm,發(fā)光效率為35lm/W。20XX開(kāi)發(fā)的100W白光LED,其光通量為6000lm,發(fā)光效率為60lm/W。又例如,Lumiled公司最近開(kāi)發(fā)的K2白光LED,與其Ⅰ、Ⅲ系列同類(lèi)產(chǎn)品比較如表1所示。從表中可以看出：K2白光LED在光通量、最大結(jié)溫、熱阻及外廓尺寸上都有較大的改進(jìn)。Cree公司新推出的XLampXR～E冷白光LED,其最高亮度擋QS在350mA時(shí)光通量可達(dá)107～114lm。這些性能良好的大功率LED給開(kāi)發(fā)LED白光照明燈具創(chuàng)造了條件。

前幾年,各種白光LED照明燈具主要是采用小功率Φ5白光LED來(lái)做的。如1～5W的燈泡、15～20W的管燈及40～60W的路燈、投射燈等。這些燈具使用了幾十到幾百個(gè)Φ5白光LED,生產(chǎn)工藝復(fù)雜、可靠性差、故障率高、外殼尺寸大,并且亮度不足。為改進(jìn)上述缺點(diǎn),這幾年逐步采用大功率白光LED來(lái)替代Φ5白光LED來(lái)設(shè)計(jì)新型燈具。例如,用18個(gè)2W的白光LED做成的街燈,若采用Φ5白光LED則要幾百個(gè)。另外,用一個(gè)1.25W的K2系列白光LED,可做成光通量為65lm的強(qiáng)光手電筒,照射距離可達(dá)幾十米。若采用Φ5白光LED來(lái)做則是不可能的。圖1

結(jié)溫TJ與相對(duì)出光率關(guān)系圖

用大功率LED做的燈具其價(jià)格比白熾燈、日光燈、節(jié)能燈要高得多,但它的節(jié)能效果及壽命比其他燈具也高的多。如果在路燈系統(tǒng)及候機(jī)大廳、大型百貨商場(chǎng)或超市、高級(jí)賓館大堂等用電大戶(hù)的公共場(chǎng)所全部采用LED燈具,其一次性投資較高,但長(zhǎng)期的節(jié)電效果及經(jīng)濟(jì)性都是值得期待的。

目前主要采用1～3W大功率白光LED作照明燈,因?yàn)槠浒l(fā)光效率高、價(jià)格低、應(yīng)用靈活。大功率LED的散熱問(wèn)題

LED是個(gè)光電器件,其工作過(guò)程中只有15%～25%的電能轉(zhuǎn)換成光能,其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能,使LED的溫度升高。在大功率LED中,散熱是個(gè)大問(wèn)題。例如,1個(gè)10W白光LED若其光電轉(zhuǎn)換效率為20%,則有8W的電能轉(zhuǎn)換成熱能,若不加散熱措施,則大功率LED的器芯溫度會(huì)急速上升,當(dāng)其結(jié)溫〔TJ上升超過(guò)最大允許溫度時(shí)〔一般是150℃,大功率LED會(huì)因過(guò)熱而損壞。因此在大功率LED燈具設(shè)計(jì)中,最主要的設(shè)計(jì)工作就是散熱設(shè)計(jì)。

另外,一般功率器件〔如電源IC的散熱計(jì)算中,只要結(jié)溫小于最大允許結(jié)溫溫度〔一般是125℃就可以了。但在大功率LED散熱設(shè)計(jì)中,其結(jié)溫TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ對(duì)LED的出光率及壽命有較大影響：TJ越高會(huì)使LED的出光率越低,壽命越短。圖2

K2系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1是K2系列白光LED的結(jié)溫TJ與相對(duì)出光率的關(guān)系曲線(xiàn)。在TJ=25℃時(shí),相對(duì)出光率為1；TJ=70℃時(shí)相對(duì)出光率降為0.9；TJ=115℃時(shí),則降到0.8了。

表2是Edison公司給出的大功率白光LED的結(jié)溫TJ在亮度衰減70%時(shí)與壽命的關(guān)系〔不同LED生產(chǎn)廠家的壽命并不相同,僅做參考。圖3

NCCWO22的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在表2中可看出：TJ=50℃時(shí),壽命為90000小時(shí)；TJ=80℃時(shí),壽命降到34000小時(shí)；TJ=115℃時(shí),其壽命只有13300小時(shí)了。TJ在散熱設(shè)計(jì)中要提出最大允許結(jié)溫值TJmax,實(shí)際的結(jié)溫值TJ應(yīng)小于或等于要求的TJmax,即TJ≤TJmax。圖4

LED與PCB焊接圖大功率LED的散熱路徑.大功率LED在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是十分重視散熱的。圖2是Lumiled公司K2系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、圖3是NICHIA公司NCCW022的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從這兩圖可以看出：在管芯下面有一個(gè)尺寸較大的金屬散熱墊,它能使管芯的熱量通過(guò)散熱墊傳到外面去。圖5

雙層敷銅層散熱結(jié)構(gòu)

大功率LED是焊在印制板〔PCB上的,如圖4所示。散熱墊的底面與PCB的敷銅面焊在一起,以較大的敷銅層作散熱面。為提高散熱效率,采用雙層敷銅層的PCB,其正反面圖形如圖5所示。這是一種最簡(jiǎn)單的散熱結(jié)構(gòu)。圖6

散熱路徑圖

熱是從溫度高處向溫度低處散熱。大功率LED主要的散熱路徑是：管芯→散熱墊→印制板敷銅層→印制板→環(huán)境空氣。若LED的結(jié)溫為T(mén)J,環(huán)境空氣的溫度為T(mén)A,散熱墊底部的溫度為T(mén)c〔TJ＞Tc＞TA,散熱路徑如圖6所示。

在熱的傳導(dǎo)過(guò)程中,各種材料的導(dǎo)熱性能不同,即有不同的熱阻。若管芯傳導(dǎo)到散熱墊底面的熱阻為RJC〔LED的熱阻、散熱墊傳導(dǎo)到PCB面層敷銅層的熱阻為RCB、PCB傳導(dǎo)到環(huán)境空氣的熱阻為RBA,則從管芯的結(jié)溫TJ傳導(dǎo)到空氣TA的總熱阻RJA與各熱阻關(guān)系為：RJA=RJC+RCB+RBA

各熱阻的單位是℃/W。

可以這樣理解：熱阻越小,其導(dǎo)熱性能越好,即散熱性能越好。

如果LED的散熱墊與PCB的敷銅層采用回流焊焊在一起,則RCB=0,則上式可寫(xiě)成：

RJA=RJC+RBA散熱的計(jì)算公式若結(jié)溫為T(mén)J、環(huán)境溫度為T(mén)A、LED的功耗為PD,則RJA與TJ、TA及PD的關(guān)系為：

RJA=〔TJ－TA/PD

<1>

式中PD的單位是W。PD與LED的正向壓降VF及LED的正向電流IF的關(guān)系為：

PD=VF×IF

<2>

如果已測(cè)出LED散熱墊的溫度TC,則<1>式可寫(xiě)成：

RJA=<TJ－TC>/PD+<TC－TA>/PD

則RJC=<TJ－TC>/PD

<3>

RBA=<TC－TC>/PD

<4>

在散熱計(jì)算中,當(dāng)選擇了大功率LED后,從數(shù)據(jù)資料中可找到其RJC值；當(dāng)確定LED的正向電流IF后,根據(jù)LED的VF可計(jì)算出PD；若已測(cè)出TC的溫度,則按〔3式可求出TJ來(lái)。

在測(cè)TC前,先要做一個(gè)實(shí)驗(yàn)板〔選擇某種PCB、確定一定的面積、焊上LED、輸入IF電流,等穩(wěn)定后,用K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)LED的散熱墊溫度TC。

在〔4式中,TC及TA可以測(cè)出,PD可以求出,則RBA值可以計(jì)算出來(lái)。

若計(jì)算出TJ來(lái),代入〔1式可求出RJA。

這種通過(guò)試驗(yàn)、計(jì)算出TJ方法是基于用某種PCB及一定散熱面積。如果計(jì)算出來(lái)的TJ小于要求〔或等于TJmax,則可認(rèn)為選擇的PCB及面積合適；若計(jì)算來(lái)的TJ大于要求的TJmax,則要更換散熱性能更好的PCB,或者增加PCB的散熱面積。

另外,若選擇的LED的RJC值太大,在設(shè)計(jì)上也可以更換性能上更好并且RJC值更小的大功率LED,使?jié)M足計(jì)算出來(lái)的TJ≤TJmax。這一點(diǎn)在計(jì)算舉例中說(shuō)明。各種不同的PCB

目前應(yīng)用與大功率LED作散熱的PCB有三種：普通雙面敷銅板〔FR4、鋁合金基敷銅板〔MCPCB、柔性薄膜PCB用膠粘在鋁合金板上的PCB。

MCPCB的結(jié)構(gòu)如圖7所示。各層的厚度尺寸如表3所示。圖7

MCPCB結(jié)構(gòu)圖

其散熱效果與銅層及金屬層厚如度尺寸及絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱性有關(guān)。一般采用35μm銅層及1.5mm鋁合金的MCPCB。

柔性PCB粘在鋁合金板上的結(jié)構(gòu)如圖8所示。一般采用的各層厚度尺寸如表4所示。1～3W星狀LED采用此結(jié)構(gòu)。

采用高導(dǎo)熱性介質(zhì)的MCPCB有最好的散熱性能,但價(jià)格較貴。圖8

散熱層結(jié)構(gòu)圖計(jì)算舉例

這里采用了NICHIA公司的測(cè)量TC的實(shí)例中取部分?jǐn)?shù)據(jù)作為計(jì)算舉例。已知條件如下：

LED：3W白光LED、型號(hào)MCCW022、RJC=16℃/W。K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)量頭焊在散熱墊上。

PCB試驗(yàn)板：雙層敷銅板〔40×40mm、t=1.6mm、焊接面銅層面積1180mm2背面銅層面積1600mm2。

LED工作狀態(tài)：IF=500mA、VF=3.97V。

按圖9用K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)TC,TC=71℃。測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度TA=

25℃.

1.TJ計(jì)算TJ=RJC×PD+TC=RJC〔IF×VF+TCTJ=16℃/W〔500mA×3.97V

+71℃=103℃圖9

TC測(cè)量位置圖2.RBA計(jì)算

RJA=〔TC－TA/PD

=〔71℃－25℃/1.99W

=23.1℃/W3.RJA計(jì)算

RJA=RJC+RBA

=16℃/W+23.1℃/W

=39.1℃/W

如果設(shè)計(jì)的TJmax=90℃,則按上述條件計(jì)算出來(lái)的TJ不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,需要改換散熱更好的PCB或增大散熱面積,并再一次試驗(yàn)及計(jì)算,直到滿(mǎn)足TJ≤TJmax為止。

另外一種方法是,在采用的LED的RJC值太大時(shí),若更換新型同類(lèi)產(chǎn)品RJC=9℃/W<IF=500mA時(shí)VF=3.65V>,其他條件不變,TJ計(jì)算為：

TJ=9℃/W〔500mA×3.65V+71℃

=87.4℃

上式計(jì)算中71℃有一些誤差,應(yīng)焊上新的9℃/W的LED重新測(cè)TC〔測(cè)出的值比71℃略小。這對(duì)計(jì)算影響不大。采用了9℃/W的LED后不用改變PCB材質(zhì)及面積,其TJ符合設(shè)計(jì)的要求。PCB背面加散熱片若計(jì)算出來(lái)的TJ比設(shè)計(jì)要求的TJmax大得多,而且在結(jié)構(gòu)上又不允許增加面積時(shí),可考慮將PCB背面粘在"∪"形的鋁型材上〔或鋁板沖壓件上,或粘在散熱片上,如圖10所示。這兩種方法是在多個(gè)大功率LED的燈具設(shè)計(jì)中常用的。例如,上述計(jì)算舉例中,在計(jì)算出TJ=103℃的PCB背后粘貼一個(gè)10℃/W的散熱片,其TJ降到80℃左右。圖10

"∪"形鋁型材

這里要說(shuō)明的是,上述TC是在室溫條件下測(cè)得的〔室溫一般15～30℃。若LED燈使用的環(huán)境溫度TA大于室溫時(shí),則實(shí)際的TJ要比在室溫測(cè)量后計(jì)算的TJ要高,所以在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這個(gè)因素。若測(cè)試時(shí)在恒溫箱中進(jìn)行,其溫度調(diào)到使用時(shí)最高環(huán)境溫度,為最佳。

另外,PCB是水平安裝還是垂直安