LED散熱基礎培訓教程課件

LED散熱設計培訓教程LED散熱設計培訓教程1目錄１.熱學的基本概念２.常見的散熱方式和相應的理論計算方法３.LED光源熱設計的相關信息４.燈具散熱設計注意事項５.燈具熱測試的幾個重要條件６.散熱技術7.LED熱量管理8.熱管理技術9.LED散熱的設計和選擇10.熱分析中常用的軟件11.其它新型散熱技術12.如何測量LED節(jié)溫目錄１.熱學的基本概念7.LED熱量管理2LED燈具熱傳遞方式熱傳遞的三種基本方式為：傳導、對流和輻射，熱管理也從這三方面入手，分為瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析。散熱器的主要傳遞途徑為傳導和對流散熱，自然對流下的輻射散熱也是不容忽視的。LED燈具熱傳遞方式熱傳遞的三種基本方式為：傳導、對流和輻射3一.熱學基本概念1.1熱傳導在靜態(tài)介質中存在溫度差時，不論介質是固體還是液體，介質中都會發(fā)生傳熱。此過程為熱傳導。熱傳導是因存在溫差而發(fā)生的能量的轉移。1.2對流當一個表面和一種運動的流體處于不同溫度時，它們之間發(fā)生的傳熱為對流1.3熱輻射在所有具有溫度的表面上，都在以電磁波的形式在發(fā)射能量，此過程為熱輻射。一.熱學基本概念1.1熱傳導4LED散熱基礎培訓教程5熱對流換熱系數(shù)表熱對流換熱系數(shù)表6LED散熱基礎培訓教程7二.常見的散熱方式和相應的理論計算方法二.常見的散熱方式和相應的理論計算方法8LED散熱基礎培訓教程9LED散熱基礎培訓教程102.4散熱熱阻2.4散熱熱阻11LED散熱基礎培訓教程12三.LED光源熱設計的相關信息三.LED光源熱設計的相關信息13LED散熱基礎培訓教程14LED散熱基礎培訓教程15LED散熱基礎培訓教程16LED散熱基礎培訓教程17LED散熱基礎培訓教程18LED散熱基礎培訓教程19LED散熱基礎培訓教程20四.燈具散熱設計注意事項四.燈具散熱設計注意事項21LED散熱基礎培訓教程22LED散熱基礎培訓教程23LED散熱基礎培訓教程24LED散熱基礎培訓教程25五.燈具熱測試的幾個重要條件五.燈具熱測試的幾個重要條件26LED散熱基礎培訓教程27六.散熱技術六.散熱技術28LED散熱基礎培訓教程29LED散熱基礎培訓教程30LED散熱基礎培訓教程31LED散熱基礎培訓教程32LED散熱基礎培訓教程33LED散熱基礎培訓教程34LED散熱基礎培訓教程35LED散熱基礎培訓教程36LED散熱基礎培訓教程37七.LED熱量管理在固態(tài)照明行業(yè)，LED在亮度方面處于領先地位，它提供可回流焊設計，從而更加便于使用和熱量管理。采用LED的照明應用不僅使光輸出最大化，而且提高了設計靈活性，同時將對環(huán)境的影響降到最低。它們在專業(yè)性和通用性照明應用中都得到了廣泛的使用。當設計使用LED的照明系統(tǒng)時，最關鍵的設計參數(shù)之一就是該系統(tǒng)從LED接合點排除熱量的能力。LED接合點很高的工作溫度會破壞LED的性能，導致光輸出衰減和工作壽命減少。七.LED熱量管理在固態(tài)照明行業(yè)，LED在亮度方面處38大多數(shù)LED失效機制都和溫度密切相關。LED接合點溫度的升高會導致光輸出的減少，加速芯片老化。每種產品系列的最高接合點溫度都已在產品數(shù)據(jù)表中列明。接合點溫度主要受到三個參數(shù)的影響：LED周邊環(huán)境的溫度在LED接合點和外部條件間的導熱通道LED釋放的能量大多數(shù)LED失效機制都和溫度密切相關。LED接合點溫度的升高39在設計帶有高功率LED的照明系統(tǒng)時，應當遵循以下通用指導原則：成功進行散熱設計要考慮的最重要因素是，將需要移除的熱量降至最低。將LED驅動電路和LED電路板隔開非常重要，只有這樣驅動器所產生的熱能才不會導致LED接合點溫度升高。下一個最有效的策略是將固燈具置里面的溫度降至最低。只要注意幾個設計參數(shù)，這個目標就能實現(xiàn)，比如說考慮防止整個系統(tǒng)達到整體功率密度的上限值的保守封裝設計。保證進行自然對流冷卻的通路潔凈、暢通無阻也非常重要。提高散熱片和LED間的熱傳導性對于熱管理非常有必要。盡管從散熱片上移除熱量是通過對流實現(xiàn)，從LED到散熱片的通道卻是通過傳導方式。最后，LEDPCB電路板/散熱片的朝向在設計時也需要慎重考慮。正確安裝電路板/散熱片非常重要，使散熱面保持垂直。如果電路板平面是水平的，那么它將會阻止空氣對流的形成，這樣就會顯著降低系統(tǒng)的冷卻性能。在設計帶有高功率LED的照明系統(tǒng)時，應當遵循以下通用指導原則40八.熱管理技術熱阻兩點間的熱阻被定義為溫差和被釋放功率的比率。本文檔中計算所采用的單位是°C/W。對于LED，兩個重要散熱通道的熱阻會影響LED接合點的溫度：從LED接合點到封裝底部的熱接觸點的熱阻。該熱阻由封裝設計控制。它被當作焊點和外部環(huán)境間的熱阻(Rthj-sp)。八.熱管理技術熱阻41從熱接觸點到外部環(huán)境條件，這種熱阻被定義為焊點和外部環(huán)境間的通路。它被當作焊點和外部環(huán)境間的熱阻(Rthsp-a)在LED接合點和外部環(huán)境(Rthj-a)間的總熱阻可以通過數(shù)學模型公式表示為數(shù)列熱阻Rthj-sp和Rthsp-a的和從熱接觸點到外部環(huán)境條件，這種熱阻被定義為焊點和外部環(huán)境間42釋放功率由LED（Pd）所釋放的總功率等于LED驅動電壓(Vf)和驅動電流(If)的乘積。接合點溫度

LED接合點的溫度(Tj)是外部環(huán)境溫度(Ta)與釋放功率和結點與外部環(huán)境熱阻之乘積的和。

Tj=Ta+(Rthj-axPd)釋放功率43在大多數(shù)情況下，高功率LED將被安裝在金屬核心印刷電路板（PCB）上，該板會和一個散熱片相連接。熱量通過傳導方式從LED接合點流經PCB，到達散熱片。散熱片通過對流方式將熱量散發(fā)到外部環(huán)境中去。在大多數(shù)LED應用中，與LED接合點和導熱板之間，以及導熱板到外界環(huán)境之間相比，LED和PCB和/或散熱片之間的接觸熱阻還是相對較小的。在大多數(shù)情況下，高功率LED將被安裝在金屬核心印刷電路板（P44當使用散熱片時，總的熱阻是三個串聯(lián)電阻之和，它們分別是從接合點到焊接點(Rthj-sp)間的熱阻與從焊接點到散熱片間的熱阻(Rthsp-h)，及從散熱片到外部環(huán)境間的熱阻(Rthh-a)Rthj-a=Rthj-sp+Rthsp-h+Rthh-a應當注意的是從LED封裝到外部環(huán)境的直接熱損失量非常小，以至于在計算時可以忽略不計。決定所需散熱片的尺寸規(guī)格和種類的總體設計，目標就是計算出散熱片最大熱阻值(Rthh-a)，該熱阻值將能夠使接合點溫度保持低于最惡劣工作環(huán)境下的最大值。當使用散熱片時，總的熱阻是三個串聯(lián)電阻之和，它們分別是從接合45例1

：散熱片的熱阻在本例中，6個白色Xlamp7090LED被應用于最高外部環(huán)境溫度達55°C的情形中。假設在本例中，典型正向電壓為3.25V,驅動電流為350mA，且電源在固定裝置的外面，那么LED所消耗的總功率為：Ptotal=6x0.350Ax3.25V=6.825W例1：散熱片的熱阻46LED散熱基礎培訓教程47數(shù)據(jù)資料上所列出的從接合點到焊接點(Rthj-sp)的熱阻值為8°C/W，最高接合點溫度為145°C。所以，

Tj=Ta+Ptotal(Rthj-sp/6+Rthsp-h+Rthh-a)在LED焊接點和散熱片間的熱阻值Rthsp-h取決于包括表面拋光度、平整度、所施加的安裝應力、接觸面積以及接口材料類型及其厚度在內的多種因素。如果有好的設計，那么它可以最低降至小于1°C/W。數(shù)據(jù)資料上所列出的從接合點到焊接點(Rthj-sp)的熱阻48能夠計算得出從散熱片到外部環(huán)境的最大熱阻(Rthh-a)。使用前面的等式，然后導出Rthh-a:Rthh-a=(145°C-55°C–8°C/Wx6.825W/6–1°C/Wx6.825W)/6.825W=10.85°C/W

為了使得接合點的溫度在最惡劣工作環(huán)境下低于145°C，我們必須選擇從散熱片到空氣間熱阻值低于10.85°C/W的散熱片。也可以根據(jù)散熱片制造商所公布的數(shù)據(jù)或者通過建模和檢測來選擇具有所需特性的散熱片。能夠計算得出從散熱片到外部環(huán)境的最大熱阻(Rthh-a)。49九.LED散熱的設計和選擇為了設計和選擇散熱片，了解散熱片的工作原理非常有益。如果熱量從熱源（如一個LED的接合點）通過散熱片被傳送到周圍介質中，通常會經過以下四個連續(xù)步驟：1. 從熱源傳送到散熱片2. 從散熱片內部傳導至其表面3. 通過對流方式從散熱片表面?zhèn)魉偷街車橘|中九.LED散熱的設計和選擇為了設計和選擇散熱片，了解散熱50散熱片的效率和性能是所采用的熱量傳輸模式的一項功能。散熱片為熱量從LED傳導流動提供了通道?！奥裨凇痹谏崞瑑鹊臒崃勘仨氁瞥?，這樣才能使能量從熱源開始進行連續(xù)流動。如果熱量一直“埋在”散熱片里，那么溫度將上升，這最終會導致熱源溫度過高。散熱片能夠以下列三種方式釋放能量：傳導（從一個固體傳導到另一個固體）、對流（熱量從一個固體轉移到一種流體，對于大多數(shù)LED應用來說這種流體是空氣）或者輻射（熱量從兩個具有不同表面溫度的物體通過電磁波方式傳輸）。散熱片的效率和性能是所采用的熱量傳輸模式的一項功能。散熱片為51散熱片熱輻射是表面拋光度的一項功能，尤其是在散熱片溫度較高時。涂漆的表面比光亮但沒有著漆的表面擁有更好的熱輻射性能。效果最顯著的是平板式散熱片，這種散熱片有大約三分之一的熱量都通過輻射移除。所用的漆色相對來說并不重要。與同樣規(guī)格的表面粗糙且涂黑色漆的散熱片相比,涂白漆且表面光滑的平板式散熱片的熱阻只高出３%。對于翼式散熱片，涂漆就不那么有效了，這是因為從大多數(shù)翼片所輻射出來的熱能最終會落在臨近的翼片上，盡管如此，涂漆仍然有其價值。陽極電鍍和蝕刻將會降低熱阻。散熱片熱輻射是表面拋光度的一項功能，尤其是在散熱片溫度較高時52LED散熱基礎培訓教程53在選擇一個散熱片時，設計者應當考慮一系列因素：表面積熱傳輸只會發(fā)生在散熱片的表面。所以，散熱片在設計時應當擁有相對比較大的表面積。使用許多優(yōu)質翼片或增加散熱片尺寸規(guī)格，都能夠達到這個目的?？諝鈩恿W特性散熱片的設計需要要能使空氣很容易且很快速地流通。有許多個相互間距小的優(yōu)質散熱翼片的散熱片,可能不能使空氣氣流很好地流通。必須在高表面積（許多個相互間距小的翼片）和良好空氣動力學特性間進行權衡。在散熱片內部的熱傳輸：如果熱量不能到達它們，那么這些冷卻翼片就是無效的。散熱片設計應當使其允許足夠的熱量從熱源傳輸?shù)揭砥１容^厚一點的翼片具有好的熱傳導性；所以必須要在在較大表面積（多個薄翼片）和良好熱傳輸性（更厚的翼片）間實現(xiàn)平衡。所使用的材料對于散熱片內部的熱傳輸有著顯著的影響。接觸面積的平整性：和LED或PCB相接觸的散熱片部分必須絕對平整。平整的接觸面允許使用一層更薄的熱敏化合物層，它能夠減少散熱片和LED源間的熱阻。安裝方法：為了實現(xiàn)更好的熱傳輸，散熱片和熱源間的壓力必須比較高。散熱片夾在設計時要考慮能夠提供高壓，同時很容易安裝。通常帶螺釘或彈簧的散熱片固定架要比一般的夾子要更好。當不能使用夾子或螺釘時，只能使用熱傳導膏體或膠帶。在選擇一個散熱片時，設計者應當考慮一系列因素：54十.熱分析中常用的軟件十.熱分析中常用的軟件55十一.其他新型散熱技術十一.其他新型散熱技術56LED散熱基礎培訓教程57LED散熱基礎培訓教程58LED散熱基礎培訓教程59LED散熱基礎培訓教程60十二.如何測量LED節(jié)溫十二.如何測量LED節(jié)溫61LED散熱基礎培訓教程62LED散熱基礎培訓教程63LED散熱基礎培訓教程64LED散熱基礎培訓教程65謝謝聆聽！謝謝聆聽！66演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！67LED散熱設計培訓教程LED散熱設計培訓教程68目錄１.熱學的基本概念２.常見的散熱方式和相應的理論計算方法３.LED光源熱設計的相關信息４.燈具散熱設計注意事項５.燈具熱測試的幾個重要條件６.散熱技術7.LED熱量管理8.熱管理技術9.LED散熱的設計和選擇10.熱分析中常用的軟件11.其它新型散熱技術12.如何測量LED節(jié)溫目錄１.熱學的基本概念7.LED熱量管理69LED燈具熱傳遞方式熱傳遞的三種基本方式為：傳導、對流和輻射，熱管理也從這三方面入手，分為瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析。散熱器的主要傳遞途徑為傳導和對流散熱，自然對流下的輻射散熱也是不容忽視的。LED燈具熱傳遞方式熱傳遞的三種基本方式為：傳導、對流和輻射70一.熱學基本概念1.1熱傳導在靜態(tài)介質中存在溫度差時，不論介質是固體還是液體，介質中都會發(fā)生傳熱。此過程為熱傳導。熱傳導是因存在溫差而發(fā)生的能量的轉移。1.2對流當一個表面和一種運動的流體處于不同溫度時，它們之間發(fā)生的傳熱為對流1.3熱輻射在所有具有溫度的表面上，都在以電磁波的形式在發(fā)射能量，此過程為熱輻射。一.熱學基本概念1.1熱傳導71LED散熱基礎培訓教程72熱對流換熱系數(shù)表熱對流換熱系數(shù)表73LED散熱基礎培訓教程74二.常見的散熱方式和相應的理論計算方法二.常見的散熱方式和相應的理論計算方法75LED散熱基礎培訓教程76LED散熱基礎培訓教程772.4散熱熱阻2.4散熱熱阻78LED散熱基礎培訓教程79三.LED光源熱設計的相關信息三.LED光源熱設計的相關信息80LED散熱基礎培訓教程81LED散熱基礎培訓教程82LED散熱基礎培訓教程83LED散熱基礎培訓教程84LED散熱基礎培訓教程85LED散熱基礎培訓教程86LED散熱基礎培訓教程87四.燈具散熱設計注意事項四.燈具散熱設計注意事項88LED散熱基礎培訓教程89LED散熱基礎培訓教程90LED散熱基礎培訓教程91LED散熱基礎培訓教程92五.燈具熱測試的幾個重要條件五.燈具熱測試的幾個重要條件93LED散熱基礎培訓教程94六.散熱技術六.散熱技術95LED散熱基礎培訓教程96LED散熱基礎培訓教程97LED散熱基礎培訓教程98LED散熱基礎培訓教程99LED散熱基礎培訓教程100LED散熱基礎培訓教程101LED散熱基礎培訓教程102LED散熱基礎培訓教程103LED散熱基礎培訓教程104七.LED熱量管理在固態(tài)照明行業(yè)，LED在亮度方面處于領先地位，它提供可回流焊設計，從而更加便于使用和熱量管理。采用LED的照明應用不僅使光輸出最大化，而且提高了設計靈活性，同時將對環(huán)境的影響降到最低。它們在專業(yè)性和通用性照明應用中都得到了廣泛的使用。當設計使用LED的照明系統(tǒng)時，最關鍵的設計參數(shù)之一就是該系統(tǒng)從LED接合點排除熱量的能力。LED接合點很高的工作溫度會破壞LED的性能，導致光輸出衰減和工作壽命減少。七.LED熱量管理在固態(tài)照明行業(yè)，LED在亮度方面處105大多數(shù)LED失效機制都和溫度密切相關。LED接合點溫度的升高會導致光輸出的減少，加速芯片老化。每種產品系列的最高接合點溫度都已在產品數(shù)據(jù)表中列明。接合點溫度主要受到三個參數(shù)的影響：LED周邊環(huán)境的溫度在LED接合點和外部條件間的導熱通道LED釋放的能量大多數(shù)LED失效機制都和溫度密切相關。LED接合點溫度的升高106在設計帶有高功率LED的照明系統(tǒng)時，應當遵循以下通用指導原則：成功進行散熱設計要考慮的最重要因素是，將需要移除的熱量降至最低。將LED驅動電路和LED電路板隔開非常重要，只有這樣驅動器所產生的熱能才不會導致LED接合點溫度升高。下一個最有效的策略是將固燈具置里面的溫度降至最低。只要注意幾個設計參數(shù)，這個目標就能實現(xiàn)，比如說考慮防止整個系統(tǒng)達到整體功率密度的上限值的保守封裝設計。保證進行自然對流冷卻的通路潔凈、暢通無阻也非常重要。提高散熱片和LED間的熱傳導性對于熱管理非常有必要。盡管從散熱片上移除熱量是通過對流實現(xiàn)，從LED到散熱片的通道卻是通過傳導方式。最后，LEDPCB電路板/散熱片的朝向在設計時也需要慎重考慮。正確安裝電路板/散熱片非常重要，使散熱面保持垂直。如果電路板平面是水平的，那么它將會阻止空氣對流的形成，這樣就會顯著降低系統(tǒng)的冷卻性能。在設計帶有高功率LED的照明系統(tǒng)時，應當遵循以下通用指導原則107八.熱管理技術熱阻兩點間的熱阻被定義為溫差和被釋放功率的比率。本文檔中計算所采用的單位是°C/W。對于LED，兩個重要散熱通道的熱阻會影響LED接合點的溫度：從LED接合點到封裝底部的熱接觸點的熱阻。該熱阻由封裝設計控制。它被當作焊點和外部環(huán)境間的熱阻(Rthj-sp)。八.熱管理技術熱阻108從熱接觸點到外部環(huán)境條件，這種熱阻被定義為焊點和外部環(huán)境間的通路。它被當作焊點和外部環(huán)境間的熱阻(Rthsp-a)在LED接合點和外部環(huán)境(Rthj-a)間的總熱阻可以通過數(shù)學模型公式表示為數(shù)列熱阻Rthj-sp和Rthsp-a的和從熱接觸點到外部環(huán)境條件，這種熱阻被定義為焊點和外部環(huán)境間109釋放功率由LED（Pd）所釋放的總功率等于LED驅動電壓(Vf)和驅動電流(If)的乘積。接合點溫度

LED接合點的溫度(Tj)是外部環(huán)境溫度(Ta)與釋放功率和結點與外部環(huán)境熱阻之乘積的和。

Tj=Ta+(Rthj-axPd)釋放功率110在大多數(shù)情況下，高功率LED將被安裝在金屬核心印刷電路板（PCB）上，該板會和一個散熱片相連接。熱量通過傳導方式從LED接合點流經PCB，到達散熱片。散熱片通過對流方式將熱量散發(fā)到外部環(huán)境中去。在大多數(shù)LED應用中，與LED接合點和導熱板之間，以及導熱板到外界環(huán)境之間相比，LED和PCB和/或散熱片之間的接觸熱阻還是相對較小的。在大多數(shù)情況下，高功率LED將被安裝在金屬核心印刷電路板（P111當使用散熱片時，總的熱阻是三個串聯(lián)電阻之和，它們分別是從接合點到焊接點(Rthj-sp)間的熱阻與從焊接點到散熱片間的熱阻(Rthsp-h)，及從散熱片到外部環(huán)境間的熱阻(Rthh-a)Rthj-a=Rthj-sp+Rthsp-h+Rthh-a應當注意的是從LED封裝到外部環(huán)境的直接熱損失量非常小，以至于在計算時可以忽略不計。決定所需散熱片的尺寸規(guī)格和種類的總體設計，目標就是計算出散熱片最大熱阻值(Rthh-a)，該熱阻值將能夠使接合點溫度保持低于最惡劣工作環(huán)境下的最大值。當使用散熱片時，總的熱阻是三個串聯(lián)電阻之和，它們分別是從接合112例1

：散熱片的熱阻在本例中，6個白色Xlamp7090LED被應用于最高外部環(huán)境溫度達55°C的情形中。假設在本例中，典型正向電壓為3.25V,驅動電流為350mA，且電源在固定裝置的外面，那么LED所消耗的總功率為：Ptotal=6x0.350Ax3.25V=6.825W例1：散熱片的熱阻113LED散熱基礎培訓教程114數(shù)據(jù)資料上所列出的從接合點到焊接點(Rthj-sp)的熱阻值為8°C/W，最高接合點溫度為145°C。所以，

Tj=Ta+Ptotal(Rthj-sp/6+Rthsp-h+Rthh-a)在LED焊接點和散熱片間的熱阻值Rthsp-h取決于包括表面拋光度、平整度、所施加的安裝應力、接觸面積以及接口材料類型及其厚度在內的多種因素。如果有好的設計，那么它可以最低降至小于1°C/W。數(shù)據(jù)資料上所列出的從接合點到焊接點(Rthj-sp)的熱阻115能夠計算得出從散熱片到外部環(huán)境的最大熱阻(Rthh-a)。使用前面的等式，然后導出Rthh-a:Rthh-a=(145°C-55°C–8°C/Wx6.825W/6–1°C/Wx6.825W)/6.825W=10.85°C/W

為了使得接合點的溫度在最惡劣工作環(huán)境下低于145°C，我們必須選擇從散熱片到空氣間熱阻值低于10.85°C/W的散熱片。也可以根據(jù)散熱片制造商所公布的數(shù)據(jù)或者通過建模和檢測來選擇具有所需特性的散熱片。能夠計算得出從散熱片到外部環(huán)境的最大熱阻(Rthh-a)。116九.LED散熱的設計和選擇為了設計和選擇散熱片，了解散熱片的工作原理非常有益。如果熱量從熱源（如一個LED的接合點）通過散熱片被傳送到周圍介質中，通常會經過以下四個連續(xù)步驟：1. 從熱源傳送到散熱片2. 從散熱片內部傳導至其表面3. 通過對流方式從散熱片表面?zhèn)魉偷街車橘|中九.LED散熱的設計和選擇為了設計和選擇散熱片，了解散熱117散熱片的效率和性能是所采用的熱量傳輸模式的一項功能。散熱片為熱量從LED傳導流動提供了通道?！奥裨凇痹谏崞瑑鹊臒崃勘仨氁瞥?，這樣才能使能量從熱源開始進行連續(xù)流動。如果熱量一直“埋在”散熱片里，那么溫度將上升，這最終會導致熱源溫度過高。散熱片能夠以下列三種方式釋放能量：傳導（從一個固體傳導到另一個固體）、對流（熱量從一個固體轉移到一種流體，對于大多數(shù)LED應用來說這種流體是空氣）或者輻射（熱量從兩個具有不同表面溫度的物體通過電磁波方式傳輸）。散熱片的效率和性能是所采用的熱量傳輸模式的一項功能。散熱片為118散熱片熱輻射是表面拋光度的一項功能，尤其是在散熱片溫度較高時。涂漆的表面比光