大功率 LED 的散热
设计
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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700lm,发光效率为35lm/W。2007年开发的100W白光 LED,其光通量为6000lm,
发光效率为 60lm/W。又例如,Lumiled 公司最近开发的 K2 白光 LED,与其Ⅰ、Ⅲ系列同类产品比较如
表
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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 XLamp XR~E 冷白光 LED,其最高亮度挡 QS 在 350mA 时光通量可达 107~114lm。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Φ5白光 LED 来做则是不可能的。
图 1 结温 TJ 与相对出光率关系图
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
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,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 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 TJ 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 2 K2 系列的内部结构
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 TJ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)。
图 3 NCCWO22 的内部结构
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。
图 4 LED 与 PCB 焊接图
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。
图 5 双层敷铜层散热结构
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。
图 6 散热路径图
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 TJ,环境空气的温度为 TA,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 TA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
散热的计算公式
若结温为 TJ、环境温度为 TA、LED 的功耗为 PD,则 RJA与 TJ、TA及 PD的关系为:
RJA=(TJ-TA)/PD (1)
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=VF×IF (2)
如果已测出 LED 散热垫的温度 TC,则(1)式可写成:
RJA=(TJ-TC)/PD+(TC-TA)/PD
则 RJC=(TJ-TC)/PD (3)
RBA=(TC-TC)/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 TJ来。
在测 TC前,先要做一个实验板(选择某种 PCB、确定一定的面积)、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
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是基于用某种 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 TJ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 TJ≤TJmax。这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 PCB。
MCPCB 的结构如图 7所示。各层的厚度尺寸如表 3所示。
图 7 MCPCB 结构图
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。一般采用 35μm 铜层及 1.5mm 铝合金的
MCPCB。
柔性 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。1~3W 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。
图 8 散热层结构图
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举例。已知条件如下:
LED:3W 白光 LED、型号 MCCW022、RJC=16℃/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(40×40mm)、t=1.6mm、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。
按图 9用 K型热电偶点温度计测 TC,TC=71℃。测试时环境温度 TA = 25℃.
1.TJ 计算
TJ=RJC×PD+TC=RJC(IF×VF)+TC
TJ=16℃/W(500mA×3.97V)
+71℃=103℃
图 9 TC测量位置图
2.RBA 计算
RJA=(TC-TA)/PD
=(71℃-25℃)/1.99W
=23.1℃/W
3.RJA 计算
RJA=RJC+RBA
=16℃/W+23.1℃/W
=39.1℃/W
如果设计的 TJmax=90℃,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 TJ≤TJmax 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=9℃/W(IF=500mA 时 VF=3.65V),其
他条件不变,TJ计算为:
TJ=9℃/W(500mA×3.65V)+71℃
=87.4℃
上式计算中 71℃有一些误差,应焊上新的 9℃/W 的 LED 重新测 TC(测出的值比 71℃略小)。这对计算影响
不大。采用了 9℃/W 的 LED 后不用改变 PCB 材质及面积,其 TJ符合设计的要求。
PCB 背面加散热片
若计算出来的 TJ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
“∪”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=103℃的 PCB 背后粘贴一个 10℃/W 的散热
片,其 TJ降到 80℃左右。
图 10 “∪”形铝型材
这里要说明的是,上述 TC是在室温条件下测得的(室温一般 15~30℃)。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。
结束语
采用一定散热面积的 PCB、装上 LED 的试验板,在 LED 工作状态下测出 TC再计算的方法来作散热设计是一
种简便、有效的方法,可以较好地设计出满足结温 TJmax 要求的散热结构(PCB 材质及面积)。
这种散热设计方法除适用于大功率白光 LED 的照明灯具外,也适用于其他发光颜色的大功率 LED 灯具,如
警示灯、装饰灯等。