大功率LED的散热设计

..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。20XX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107～114lm。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,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+TCTJ=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℃/W3.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