LED照明光热基础

LED照明光热基础研发部2013-07-17©Allrightsreserved课程具体章节第一章配光报告解读第二章电子设备热设计需求第三章电子设备热分析方法第四章电子元器件的热特性第五章电子设备的自然冷却设计第六章电子设备用肋片式散热器第七章电子设备强迫空气冷却设计课程具体章节第八章LED热学指标第九章LED散热技术个人总结第十章LED热仿真实例第十一章热仿真需求表格第一章配光报告解读1.1部分灯具数据表1.2灯具配光曲线1.3空间等照度曲线1.4相对光谱和色度图1.5显色指数和色温投光灯数据表反映出灯具的基本参数：光通量、光效、峰值光强等数据。光通量：被测试灯具所能发出的总能量，单位lm（流明）。光效：灯具的光通量与灯具实测功率的比。单位lm/W（流明每瓦）有效效率：根据灯具配光曲线中的平均光束角所占的百分比定义。有效光通：(有效光通量就是指的这个点光源在不同的坏境，不同的条件下点亮后通过仪器测得的数据，简单的说就是实际照度值)根据灯具配光曲线中的平均光束角内所占的百分比定义。室内灯数据表反映出灯具的基本参数：光通量、光效、峰值光强、上/下射光通比等数据。光通量：被测试灯具所能发出的总能量，单位lm（流明）。光效：灯具的光通量与灯具实测功率的比。单位lm/W（流明每瓦）上射光通比：以灯具发光中心水平面以照射到上方的光通量与总光通量的比值。下射光通比：以灯具发光中心水平面以照射到下方的光通量与总光通量的比值。道路灯数据表反映出灯具的基本参数：光通量、光效、峰值光强、上/下射光通比等数据。光通量：被测试灯具所能发出的总能量，单位lm（流明）。光效：灯具的光通量与灯具实测功率的比。单位lm/W（流明每瓦）峰值光强位置：灯具发光的最大光强在配光曲线中的位置上射光通比：以灯具发光中心水平面以照射到上方的光通量与总光通量的比值。下射光通比：以灯具发光中心水平面以照射到下方的光通量与总光通量的比值。灯具配光曲线配光曲线：灯具在空间各方向上的发光强度都不一样，用数据和图形把照明灯具发光强度在空间的分布状况记录下来，将各处相近的光强连接起来即形成光强分布曲线，也叫配光曲线。平均光束角（50%）：以最大光强的百分之五十的夹角。空间等照度曲线以测试灯具为中心，取一切割面上的照度相等的连线。能详细显示该切割面的光强分布曲线。左图考察在灯具下2m至12m，距离9m的截面(C0平面)的照度分布状况。相对光谱图和色度图相对光谱：横坐标（波长）相对应的竖线（纵坐标）的波峰值是在该波长上光的辐射强度比值。CIE1931色度图:1931CIE（国际照明协会）的色度图。由RGB转换过来的色度系统.通常以其2D方式xy色度图表现

显色指数（CRI）和色温显色指数（CRI）：光源对物体的显色能力的评价指标。一般显色指数：R1~R8八种彩度中等的标准色样，即淡灰红色、暗灰黄色、中等黄绿色、淡蓝绿色、淡蓝色、淡紫蓝色、淡红紫色。特殊显色指数：R9~R15红、黄、绿、蓝、欧美青年妇女的肤色、叶绿色、亚洲青年妇女的肤色。平均显色指数（一般）：Ra 平均显色指数（特殊）：Ri色温的变化与颜色：蓝->浅蓝->白->浅黄->黄->橙->橙红->红之间变化（15000K~6500K~1800K）第二章电子设备热设计要求2.1热设计基本要求2.2热设计应考虑的问题2.1热设计基本要求热设计应满足设备可靠性的要求

大多数电子元器件过早失效的主要原因是由于过应力（即电、热或机械应力）。电应力和热应力之间存在紧密的内在联系，减小电应力（降额）会使热应力得到相应的降低，从而提高器件的可靠性。如硅PNP型晶体管，其电应力比为0.3时，高温130℃的基本失效率为13.9×10-6h-1，而在25℃时的基本失效率为2.25×10-6h-1，高低温失效率之比为6:1。冷却系统的设计必须在预期的热环境下，把电子元器件的温度控制在规定的数值以下。应根据所要求的设备可靠性和分配给每个元器件的失效率，利用元器件应力分析预计法，确定元器件的最高允许工作温度和功耗。对于大部分电子器件，失效率和温度之间的关系为F=Ae－E/KT式中：F=失效率，为常数；E=电子激活能量(eV)；K=波尔兹曼常数(8.63e-5eV/K)；T=节点温度，K。

热设计应满足设备预期工作的热环境的要求电子设备预期工作的热环境包括：环境温度和压力（或高度）的极限值环境温度和压力（或高度）的变化率太阳或周围其它物体的辐射热载荷可利用的热沉状况（包括：种类、温度、压力和湿度等）冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降热设计应满足对冷却系统的限制要求供冷却系统使用的电源的限制（交流或直流及功率）对强迫冷却设备的振动和噪声的限制对强迫空气冷却设备的空气出口温度的限制对冷却系统的结构限制（包括安装条件、密封、体积和重量等）热设计应符合与其相关的标准、规范规定的要求2.2热设计应考虑的问题应对冷却方法进行权衡分析，使设备的寿命周期费用降至最低，而可用性最高热设计必须与维修性设计相结合，提高设备的可维修性设备中关键的部件或器件，即使在冷却系统某些部分遭到破坏或不工作的情况下，应具有继续工作的能力对于强迫空气冷却，冷却空气的入口应远离其它设备热空气的出口，以免过热舰船用电子设备，应避免在空气的露点温度以下工作；机载设备宜采用间接冷却应考虑太阳辐射给电子设备带来的热问题，应有相应的防护措施应具有防止诸如燃料油微粒、灰尘、纤维微粒等沉积物和其它老化的措施，以免增大设备的有效热阻，降低冷却效果应尽量防止由于工作周期、功率变化、热环境变化以及冷却剂温度变化引起的热瞬变，使器件的温度波动减小到最低程度应选择无毒性的冷却剂；直接液体冷却系统的冷却剂应与元器件及相接触的表面相容，不产生腐蚀和其它化学反应第三章电子设备热分析方法3.1热分析的基本问题3.2传热基本准则3.3换热计算3.4热电模拟3.5热设计步骤3.1热分析的基本问题热分析的两个基本目的：①预计各器件的工作温度，包括环境温度和热点温度；②使热设计最优化，以提高可靠性。表2-1为热分析提供详细的信息器件预计故障率(1/106h)预计的温度℃U20.05360.9U40.05260.3U60.03561.9VR10.00965.9………………热流量、热阻和温度是热设计中的重要参数热阻的定义：热流量是以导热、对流和辐射传递出去的，每种传热形式所传递热量与其热阻成反比热分析的两种主要方法：①基于实验测试的准则方程法；②数值传热计算法。电子设备方案设计的各阶段都需做热分析，并随着设计的进展要求的细微程度也随之增加，如表2-2所示。参数设计方案选择阶段设计构思阶段具体设计准备决断器件功耗初步确定器件数；功耗估算最后确定器件数；功耗初步估算最后确定器件数；最后确定器件功耗热阻需要的信息很少初步绘图；分析或测试详细绘图；分析和测试散热器温度粗略估算更精确的计算最后计算过热器件粗略估计确定器件，拟定解决方法所有器件都需满足要求热分析等级初步较细致细致表2-2各预计方案热分析的等级第三章电子设备热分析方法3.1热分析的基本问题3.2传热基本准则3.3换热计算3.4热电模拟3.5热设计步骤3.2传热基本准则热量传递的三种基本方式：传导、对流和辐射3.2传热基本准则凡有温差的地方就有热量的传递。热量的传递过程可分为稳定过程和不稳定过程两大类传热的基本计算公式为：式中：Φ——热流量，W；

Κ——总传热系数，W/(m2·℃)；

A——传热面积，m2；

Δt

——热流体与冷流体之间的温差，℃。热量传递的三种基本方式：导热、对流和辐射一、导热导热的微观机理气体的导热是气体分子不规则运动时相互碰撞的结果；金属导体中的导热主要靠自由电子的运动完成；非导电固体中的导热是通过晶格结构的振动来实现；液体中的导热主要依靠弹性波。导热基本定律——傅立叶定律式中：Φ——热流量，W；

λ——导热系数，W/(m·℃)；

A——垂直于热流方向的横截面面积，m2；

——x方向的温度变化率，℃/m。负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。

导热热阻对傅立叶定律在一维直角坐标系或圆柱坐标系中积分可得单层平壁和单层圆筒壁导热热阻的计算式为：平壁导热热阻：圆筒壁导热热阻：式中：δ——平壁厚度，m；

L——圆筒壁长度，m

；

r2——圆筒壁外径，m

；r1——圆筒壁内径，m

。减小导热热阻的方法1.缩短路径2.增大面积3.提高导热系数二、对流可分为自然对流和强迫对流两大类对流换热采用牛顿冷却公式计算式中：h——对流换热系数，W/(m2·℃)；

A——对流换热面积，m2；

tw——热表面温度，℃；

tf——冷却流体温度，℃。对流换热热阻对流热阻：减小自然对流热阻的措施1.流体所占的空间尽量大，如露天工作；2.传热表面尽量多地垂直于水平面；3.垂直方向的传热表面高度尺寸要小；4.若传热表面必须是水平的，则应在机壳上方；5.传热面积要大，表面要光。减小强迫对流热阻的措施1.液体较气体好；2.高流速；3.不平或带槽的表面；4.大面积。三、辐射辐射能以电磁波的形式传递任意物体的辐射能力可用下式计算式中：ε——物体的表面黑度（表面辐射率）；

σ0

——斯蒂芬—玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4)；

A——辐射表面积，m2；

T——物体表面的热力学温度，K。

减小辐射热阻的措施1.表面辐射率要高；2.辐射体与吸收体之间要无障碍；3.辐射面积要大。3.3换热计算一、自然对流换热的准则方程式中：Nu——努谢尔特数，Nu=hD/λ；

Ra——瑞利数，Ra=Gr·Pr；

Gr——格拉晓夫数，Gr=βgρ2D3Δt/μ2；

Pr——普朗特数；

C、n——由表2-3查得，定性温度取壁面温度与流体温度的算术平均值；

h——自然对流换热系数，W/(m2·℃)；

D——特征尺寸，m；

λ——流体的导热系数，W/(m·℃)；

β——流体的体积膨胀系数，℃-1；

g——重力加速度，m/s2；

ρ——流体的密度，kg/m3；

μ——流体的动力粘度，Pa·s；

Δt——换热表面与流体的温差，℃。

表3-3自然对流准则方程中的C和n值加热表面形状与位置图示系数C及指数n特征尺寸Ra范围流态Cn竖平板与竖圆柱层流紊流0.590.121/41/3高度H104～109109～1012横圆柱层流紊流0.530.131/41/3外径d104～109109～1012水平板热面朝上层流紊流0.540.141/41/3正方形取边长；长方形取两边平均值；狭长条取短边；圆盘取0.9d（d为圆盘直径）105～2×1072×107～3×1010水平板热面朝下层流0.271/43×105～3×1010表3-4自然对流换热表面传热系数计算公式表面形状及位置自然对流换热表面传热系数层流GrPr=104～109紊流GrPr=109～1013特征尺寸①竖直平壁或圆柱高度H②水平圆柱外径d③水平壁热面向上正方形为边长；长方形为两边长的平均值；不对称平面为l＝A/U（A为面积，U为表面周长）；圆盘为0.9d④水平壁热面向下—⑤圆球—直径d⑥小部件及导线—根据元件形状不同，参照表面①～⑤选取。如导线按水平圆柱，则取其外径为特征尺寸⑦电路板上的元件—⑧自由空气中的小元件—⑨积木式微型组件中的元件—备注Δt＝tw－tf，其中tw为壁面温度，tf为流体温度二、自然对流换热的简化计算对在海平面采用空气自然冷却的多数电子元器件或小型设备(任意方向的尺寸小于600mm)，可以采用以下简化公式进行计算式中：φ——热流密度，W/m2；

A——换热面积，m2；

C——系数，由表2-3查得；

D——特征尺寸，m；

Δt——换热表面与流体（空气）的温差，℃。三、强迫对流换热的准则方程管内流动及沿平板流动的准则方程换热表面形状Re范围流态特征尺寸特征尺寸管内流动＜2200＞104层流紊流式中：D——特征尺寸，m；

l——管长，m；

μl

——平均温度下流体的动力粘度，Pa；

μw

——壁温下流体的动力粘度，Pa；内径或当量直径沿平板流动（或平行柱体流动）＜105＞105层流紊流沿流动方向平板长度表中的雷诺数Re定义为:式中：ρ——流体的密度，kg/m3；

u——流体流速，m/s；

μ——流体的动力粘度，Pa·s；

D——特征尺寸，m。弯管修正系数εR为气体：液体：其中R为弯管曲率半径。

当管道为短管（即管长l与管径d之比小于50）或弯管时，前表中的紊流准则方程右端应乘以相应的修正系数四、辐射换热计算方程两物体表面之间的辐射换热计算公式为：式中：T1、T2——物体1和物体2表面的绝对温度，K；

ε1、ε2——物体1和物体2的表面黑度；

εxt——系统黑度；

A——物体辐射换热表面积，m2；

F12——两物体表面的角系数。

10-8表3-4不同形状物体的角系数形状角系数无穷大平行平面完全被其它物体包围两垂直相交的正方形两平行且相等的相距为边长的正方形两平行且相等的相距为直径的圆1.01.00.20.190.18表面黑度银铝（抛光）铝箔（钝化）金（电镀）金（真空沉积）铝箔（发亮的）铝（磨光）不锈钢（磨光）镍钛铝（喷砂）白硅酮涂料（平）黑硅酮涂料（平）黑乙烯酚（钝化）煤烟氧化镁灰硅酮涂料0.020.030.030.030.030.040.050.050.180.200.40.750.810.840.950.950.96表3-5典型表面的黑度3.4热电模拟一、热电模拟方法将热流量（功耗）模拟为电流；温差模拟为电压（或称电位差）；热阻模拟为电阻，热导模拟为电导；对于瞬态传热问题，可以把热容（cpqm）模拟为电容。这种模拟方法适用于各种传热形式，尤其是导热。二、热电模拟网络利用热电模拟的概念，可以解决稳态和瞬态的传热计算。恒温热源等效于理想的恒压源。恒定的热流源等效为理想的电流源。导热、对流和辐射换热的区域均可用热阻来处理。热沉等效于“接地”，所有的热源和热回路均与其相连接，形成热电模拟网络。从实际传热观点而言，热设计时应利用中间散热器，它们一般属于设备的一部分，通常为设备的底座、外壳或机柜、冷板、肋片式散热器或设备中的空气、液体等冷却剂。三、传热路径热流量经传热路径至最终的部位，通称为“热沉”，它的温度不随传递到它的热量大小而变，即相当于一个无限大容器。热沉可能是大气、大地、大体积的水或宇宙，取决于被冷却设备所处的环境。四、热阻的确定确定热阻的步骤a.根据对每个元器件的可靠性要求，确定元器件的最高允许温度b.确定设备或冷却剂的最高环境温度c.根据上述两条规定，确定每个元器件的允许温升d.确定每个元器件冷却时所需的热阻热阻的计算a.导热热阻和对流热阻的计算式参见2.2节b.辐射换热网络法任意两表面间的辐射网络如下图所示：图中Eb1和Eb2分别代表同温度下的表面1和表面2的黑体辐射力；J1和J2分别为表面1和表面2的有效辐射。3.5热设计步骤1.熟悉和掌握与热设计有关的标准、规范，确定设备（或元器件）的散热面积、散热器或冷却剂的最高和最低环境温度范围。2.确定可利用的冷却技术和限制条件。3.对每个元器件进行应力分析，并根据设备可靠性及分配给每个器件的失效率，确定每个器件的最高允许温度。确定每个发热元器件的功耗。4.画出热电模拟网络图。5.由元器件的内热阻确定其最高表面温度。6.确定器件表面至散热器或冷却剂所需的回路总热阻。7.根据热流密度和有关因素，对热阻进行分析和初步分配。8.对初步分配的各类热阻进行评估，以确定这种分配是否合理。并确定可以采用的或允许采用的冷却技术是否能够达到这些要求。9.选择适用于回路中每种热阻的冷却技术或传热方法。10.估算所选冷却方案的成本，研究其它冷却方案，进行对比，以便找到最佳方案。11.热设计的同时，还应考虑可靠性、安全性、维修性及电磁兼容设计。第四章电子元器件的热特性4.1半导体器件的热特性4.2磁芯元件的热特性4.3电阻器的热特性4.4电容器的热特性4.5LED器件的热特性4.1半导体器件的热特性半导体器件生产厂商应提供的热特性参数包括：器件工作参数与温度的关系曲线，最高和最低的储存温度，最高工作结温及有关的热阻值。进行电路设计时，应参照器件可靠性标准中规定的失效率与温度的关系曲线，降低工作结温，以便获得理想的可靠性。由于设备和系统的可靠性是元器件失效率的函数，因此只有经过细致的可靠性设计，才能控制结温不超过允许值。需要用内热阻将结与外部环境相联系。器件的结—壳热阻Rjc可按下式计算：式中：Rjc——结—外壳热阻，℃/W；

tjmax

——最大结温，℃；

tB——器件的外壳基座温度，℃；

Pmax——最大功耗，W。一、小功率晶体管a.结—外壳热阻Rjc

该值在使用时应注意两点：⑴在多头引线器件中，导线热阻比通过外壳的热阻大几倍，故可忽略不计。⑵壳外侧温度变化范围可能很大，应知道外壳上用来确定Rjc的参考点——管壳的基座温度。b.结—空气热阻Rja

当元器件之间空气间隙很大、相互影响很小、且以对流换热为主要途径时，可采用此值。用此参数确定结温时，应仔细估计空气温度。c.元器件的最大功耗Pmax最大功耗是指保持给定的最大结温，在规定的正常环境条件（一般指空气温度或壳温为25℃）下，元器件可以耗散的最大功耗。由此可以转换成Rjc或Rja

小功率晶体管的引线导热是一种高热阻通路。其内部键合引线的热阻更大。这种热流通路在热回路中通常可以忽略不计。外壳至衬垫之间的导热是最好的传热方法。散热效果取决于安装状况。二、功率晶体管功率晶体管在设计时通常在其结和外壳结构之间设置了低热阻的通路。为了使通过管座的热量得到扩散，同时加大热容量和为耐热瞬变提供保护，将管座设计得较厚，从而使得管座的温度变化较小。

功率晶体管的传热主要是通过管座的导热，因此安装表面必须平整光滑，以减小界面热阻。三、集成电路集成电路的结—壳热阻与芯片尺寸及材料、焊接材料、基板或外壳材料及封装的几何结构形状等因素有关。在混合电路器件中环氧树脂焊接芯片的热阻可达120℃/W，双列直插式（DIP）塑封器件的芯片热阻大约为135℃/W。大多数混合电路单元芯片与封装外壳表面的热阻值为25～40℃/W。集成器件的外部热通路必须注意封装表面的导热散热。与晶体管相似，为保证接触良好，最好采用弹性安装垫、弹簧夹，同时在安装界面处采用导热膏（脂）或导热橡胶。四、中规模和大规模集成电路（MSI和LSI）

MSI和LSI中的每个结的功耗一般都很小，但是器件的总功耗可能很大。为了保证集成电路可靠工作，通常规定了允许的衬底温度或最大功耗。散热是一种或多种外部低热阻传热路径的设计问题。衬底与安装表面之间应有紧密的热接触。安装结构在垂直于安装表面方向应具有比较高的导热系数，以保证衬底温度的均匀性。五、微波器件微波器件对温度非常敏感。为了降低器件的内热阻，某些器件要采用金刚石做框架。因此在电子器件所遇到的温度范围内，金刚石的热阻比银低。氧化铍陶瓷具有高导热系数和良好的绝缘性能，广泛用于微波器件的封装中。由于陶瓷易碎，因此采用采用这种材料的器件在进行热设计时，必须对器件进行热膨胀的分析，以免产生机械应力。六、半导体器件的热功耗计算a.CMOS器件

CMOS器件的功耗是频率的一阶函数、器件几何尺寸的二阶函数。开关功耗占器件总功耗的70％～90％。CMOS器件的开关功耗计算公式为：式中：C

——输入电容，F；V——峰—峰电压，V；f——开关频率，Hz。门接通功耗占CMOS器件总功耗的10％～30％，其计算公式为：式中：Ntot

——总门数；

Non

——开门百分比，％；

q——功耗系数，W/Hz每门；

f——开关频率，Hz。b.开关管开关管的损耗主要包括开关损耗和通态损耗两部分。通态损耗：式中：ID——漏极电流，A；RDS(ON)

——通态电阻，Ω。可由下式计算：R0——25℃时额定值，可由器件手册中查到；α——温度系数为0.01；Tj——工作结温，℃。开通过程损耗：关断过程损耗：式中：tr——管压降下降时间，从VDS初始值的90％降到10％的时间间隔，ms；tf——管压降上升时间，从VDS关断值的10％上升到90％的时间间隔，ms；fs

——开关频率，KHz。开关管的总损耗：c.输出整流二极管通态损耗：式中：VF

——正向导通压降，V；IF——正向导通电流，A；D——占空比。开通损耗：式中：VFRM

——正向恢复电压，V；tfr——正向恢复时间；f——开关频率。关断损耗：式中：VR——反向稳态电压；trr——反向恢复时间；IRM——反向恢复电流；f——开关频率。输出整流管的总损耗：4.2磁芯元件的热特性磁芯元件热性能失效的主要形式是绝缘材料和导体的失效。对A类绝缘材料而言，在实际工作温度范围内，温度每增加10～12℃，绝缘材料的寿命将减小一半；对油浸式绝缘材料，温度每增加7～10℃，寿命也减半。电感器的热量由磁芯和导体产生的。导热是铁芯电感器的主要传热方式。由于需要逐匝和逐层进行电绝缘，故内部热点和表面之间的热阻较大，使绕组具有较高的温度。绝缘材料在极限温度下工作的寿命受下列因素的影响：a.材料的成分和质量b.材料制作工艺c.材料所受的机械应力绝缘材料的极限温度Y类绝缘材料（包括木材、棉花、纸、纤维等天然纺织品，以醋酸纤维和聚酰胺为基础的纺织品，以及熔化点较低的塑料等）的极限温度为90℃A类绝缘材料（包括用油或油树脂复合胶浸过的Y类材料，漆包线、漆布、漆丝及油性漆、沥青漆等）的极限温度为105℃E类绝缘材料（包括聚酯薄膜和A类材料复合、玻璃布、油性树脂漆、聚乙烯醇缩醛高强度漆包线、乙酸乙烯耐热漆包线）的极限温度为120℃B类绝缘材料（包括聚酯薄膜、经和成树脂粘合或浸渍涂敷的云母、石棉、玻璃纤维等，聚酯漆、聚酯漆包线）的极限温度为130℃H类绝缘材料（包括复合云母、有机硅云母制品、硅有机漆、硅有机橡胶、聚酰亚胺复合玻璃布、复合薄膜、聚酰亚胺漆等）的极限温度为180℃C类绝缘材料（包括不采用任何有机粘合剂或浸渍剂的无机物，如云母、石棉、玻璃、石英和电瓷材料等）的极限温度为180℃以上高频变压器的损耗变压器的损耗包括铜耗和铁耗两部分。①铜耗计算原边副边式中：IP

——原边电流有效值，A；

IS——副边电流有效值，A；NP——原边匝数；

NS——副边匝数；ρ——铜的电阻率1.72×10－5

，Ω·mm；l——每匝的长度，mm；A——每匝铜线的截面积，mm2。②铁耗计算可从产品手册中查到单位体积铁耗Pv，根据下式求出铁耗：式中：Pv

——单位体积铁耗，W/cm3；

Ve——铁芯体积，cm3。变压器的总损耗：4.3电阻器的热特性电阻器通常按自然冷却方式设计，导线的长度及连接点的温度对电阻器的工作温度影响很大。

GJB299规定了所有通用电阻器的热性能额定值，并提供了应力分析数据。温度对电阻器的影响，主要表现为电阻值和失效率随温度的变化而变化。4.4电容器的热特性

电容器一般不作热源处理，但漏电很高的电解电容器以及在发射机射频电路中损耗系数很高的电容器应作为一个热源考虑。电容器的泄漏电阻随温度的升高而降低。玻璃介质电容器的最高工作温度为200℃塑料外壳云母介质电容器的最高工作温度为120℃釉瓷电容器的最高工作温度为120℃钛酸钡介质电容器的温度上限约为85℃普通高质量电解电容器的最高环境温度为85℃。钽电解电容器的最高环境温度按不同型号分别规定为125℃、150℃、175℃和200℃可变电容器（除钛酸钡外）所用的介质材料都能在200℃工作正弦激励下的电容功耗计算公式为：式中：C——电容值，F；VM

——正弦峰值电压，V；ω

——角频率，2πf；f——频率，Hz。4.5LED器件的热特性

LED光源属于半导体发光的一种，由过剩电子与空穴的辐射复合发光。目前市场上成熟的产品可以将输入LED的电能中30%转化为光，其余能量转化为热。第五章电子设备的自然冷却设计5.1热安装技术5.2印制板的自然冷却设计5.1热安装技术一、电阻器

大型线绕电阻器的安装不仅要采取适当的冷却措施，而且还应考虑减少对附近元器件的辐射热。

若有多个大功率电阻器，最好将它们垂直安装。长度超过100mm的单个电阻器应该水平安装，其平均温度要稍高于垂直安装。但水平安装时，其热点温度要比垂直安装时低，且温度分布比较均匀。

如果元件与功率电阻器之间的距离小于50mm，需要在大功率电阻器与热敏元器件之间加热屏蔽板（抛光的金属屏蔽板）。

若电阻器紧密安装，而间距小于或等于6mm时，就会出现相互加热的现象。此时电阻器的安装方式（水平或垂直安装）影响不明显。二、半导体器件

小功率晶体管、二极管及集成电路的安装位置应尽量减少从大热源及金属导热通路的发热部分吸收热量，可以考虑采用隔热屏蔽板(罩)。

对功耗等于或大于1W，且带有散热器的元器件，应采用自然对流冷却效果最佳的安装方法和取向。三、变压器和电感器

铁芯电感器的发热量大致与电流的平方成正比，一般热功耗较低，但有时也较高（如电源滤波器中）。电源变压器是重要的热源，应使其安装位置最大限度地减少与其它元器件间的相互热作用，最好将它安装在外壳的单独一角或安装在一个单独的外壳中。四、传导冷却的元器件

当多个器件耗散的热量传到一个共同的金属导体时，就会出现很明显的热的相互作用。当共同的安装架或导体与散热器之间的热阻很小时，热的相互作用就很小。否则应把元器件分别装在独立的导热构件上。五、不发热元器件

不发热的元器件可能对温度敏感，其安装位置应该使得从其它热源传来的热量降到最低的程度。但这些元器件处于或靠近高温区域时，热隔离只能延长热平衡时间，元器件仍然会受热。最好的热安装方法是将不发热元件置于温度最低的区域，该区域一般是靠近与散热器之间热阻最低的地方。如下图所示：器件的不同排列方式对温度分布的影响自然冷却设备，将热敏感器件放在最低处气流热敏感器件5.2印制板的自然冷却设计一、印制板印制导体尺寸的确定

根据流入印制板电流的大小以及允许温升范围，可用右图确定印制导体的尺寸。该图是多层板内导体的导体宽度（或面积）、温升与电流之间的关系曲线。对于外层导体，相同的导体宽度，其工作电流可大2倍左右。二、印制板的种类及传热特性FR4的导热系数为0.25W/mK铜的导热系数为388W/mKPCB板处理成具有各向异性热传导率的均匀材料PCB模型中沿板面的热传导率远大于垂直于板面的热传导率沿板面的热传导率随着PCB板铜层的数目的增加而变大垂直板面的热传导率变化不大，一般为0.3W/mK三、PCB散热能力的增强1.提高基板材料的导热能力陶瓷材料的导热能力比金属低，但比树脂材料高两位数。BeO为热传导性优异的陶瓷材料，堪与铝制材质比美，且有优异的电绝缘特性，但因其有毒性，使用时需特别注意。最近以新开发的无毒性SiC及AIN材料来替代BeO。2.采用金属化过孔提高PCB的法向传热能力金属化通孔可增加PCB在垂直方向的热传导性，如上图所示。通孔外层是铜，由于镀铜有限制，因此当孔径较大时无法将铜镀满，因此中间一般是胶。为了增加热传导性，可填充传导性高的银胶等。当通孔数量越多，孔径越大，且越集中在发热器件下方，散热效果会越好。3.器件在PCB上的合理布局板的放置方向

在自然对流时PCB水平放置的效果较垂直放置的效果要差，这是因为垂直放置时，气流可有效流过器件表面，而水平放置时，气流只从器件表面向上流动。在强制对流时由于风量大，因此放置方向的效果较不明显。在PCB上配置发热特性不同的器件

当PCB上安装耐热性不同的器件时，将耐热性差或不发热的器件（IC、晶体管、电容器等）放置于下风侧；将耐热性好或发热器件（如电阻、变压器）放置于上风处。这是因为若将怕热器件安装于发热器件的发热路径之上，会使得温度变得更高。在实际情况不允许的时候，可考虑在器件之间加装隔热板。

器件配置配合系统设计

应将发热量高的器件安装于系统中方便通风的地方，例如通风口旁或接近风扇的地方，尤其是空间小的电子装置如笔记本电脑等。如此可缩短散热路径，也不会加热到其它的装置或器件。器件的放置需配合散热方式在自然对流时，由于通风来自温差引起的浮力，因此要注意避免妨碍通风的凸起物，因此图(b)的温度较低。在强迫风冷时，由于可以得到强大的通风力，因此设计重点则是提高器件表面和周围流动气体之间的对流换热系数，图(a)的摆设方式虽然造成阻碍，但是如果风量足够，扰流所引起的对流换热系数增加所造成的冷却效果较大。第六章电子设备用肋片式散热器6.1概述6.2肋片散热器设计6.3肋片散热器在工程应用中的若干问题6.1概述工程中常用的肋片

⑴

等截面肋：矩形肋，圆形肋等（图2-1a、b）⑵变截面肋：梯形肋，三角形肋等（图2-1c、d）6.2肋片散热器设计一、散热器设计的步骤根据相关约束条件设计出轮廓图。根据散热器的相关设计准则对散热器肋厚、肋的形状、肋间距、基板厚度进行优化。进行校核计算。6.2肋片散热器设计二、散热片设计的一般原则1.散热器基板厚度基板厚度对肋片的散热效率有很大影响。良好的基板厚度设计必须由热源部分厚而向边缘部分变薄，如此可使散热器由热源部分吸收足够的热向周围较薄的部分迅速传递。热源

中心部分厚向边缘部分减薄散热功率和基板厚度之间的关系如下2.肋片形状肋片间距：对于自然对流，肋片间距要在4mm以上肋片角度：约为3°肋片最佳间距的经验估算考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果肋间距太小，两个肋的热边界层易交叉，影响肋表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于6mm，如果散热器肋高低于10mm，可按肋间距≥1.2倍肋高来确定散热器的肋间距。三、肋片参数的优化在工程设计中，肋片高度：过份增加高度，不仅散热量不增加，相反地还将增加肋片重量。表6-1给出了几种肋片（图2-8）的设计参数值。几点结论：在材料、环境条件和Φb/θ0相同时，三角形截面所用材料质量只是矩形截面的69％，因此只要工艺条件许可，应尽量采用三角形截面肋。截面面积和肋的体积，随热流量的三次方增加。因此如果希望散热量加倍，可选用两个与原肋片相同的肋片，或采用一个截面面积为原肋片8倍的新肋片。因此，应采用多个小肋片方案，而不应采用少数大的肋片。截面面积与肋材料的导热系数λ成反比，肋的总质量与截面面积及所用材料的密度ρ成正比。6.3肋片散热器在工程应用中的若干问题一、散热器生产、使用的技术要求⑴一般均选用铝材（或铝型材）作为散热器的材料；⑵为提高散热器的辐射散热能力，其表面应进行提高表面黑度的处理，表面颜色可按需要任选；⑶散热器与功率器件的安装表面应光洁、平整。可加导热膏、导热脂或导热橡胶片等；⑷散热器与安装面之间不应出现跳火、击穿等迹象，其电绝缘性、耐热性和耐湿性应按有关标准进行检测；⑸散热器应按有关标准进行测试，其热阻值不应超过许用偏差范围。二、减小散热器与器件之间的接触热阻影响接触热阻的因素较多，迄今没有一个普遍适用的经验公式加以归纳，因此工程设计中都是根据实验或参考实测数据来选择接触热阻。表6-3为某些典型接触面的接触热阻值。表面状况接触热阻×104/(m2·K/W)金属与金属干接触高3.55中（平均）2.58低0.90涂硅脂高2.32中（平均）1.29低0.48导热衬垫高1.10中（平均）0.65低0.32垫铟片(厚0.005mm)干接触高0.58中（平均）0.45低0.32垫云母片(厚0.02～0.03mm)干接触高11.29中（平均）7.74低3.87硅脂高6.45中（平均）3.87低1.94垫氧化铍(厚0.02～0.062mm)干接触2.0垫铟铂0.90灌环氧树脂0.71半导体功率器件安装于散热器上的接触热阻值可参考表6-3查取。接触面性质导热系数λ/[W/(m·K)]间隙厚度/mm单位接触热阻/(m2·K/W)软钎焊62.990.1274.65环氧树脂0.1970.1271550粘胶0.1970.0254310灌注环氧树脂0.9840.127310表6-3半导体功率器件安装于散热器上的接触热阻值工程中常用的减小接触热阻的主要措施：⑴加大接触表面之间的压力；⑵提高两个接触面的加工精度；⑶接触表面之间加导热衬垫或导热脂、导热膏等；⑷在结构强度许可的条件下，选用软的金属材料制作散热器或器件的壳体。⑶自然对流散热器减小热阻的方法自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热肋表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以建议散热肋表面不加波纹齿。自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的黑度，强化辐射换热。由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流散热器的基板及肋厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲击，建议大于5mm以上。⑷强迫风冷散热器减小热阻的方法适当增加空气流速在散热器表面加波纹齿，波纹齿的深度一般应小于0.5mm。散热器应垂直安装。第七章电子设备强迫空气冷却设计7.1强迫空气冷却的热计算7.1强迫空气冷却的热计算强迫空气冷却换热计算的难点在于固体壁面和空气之间对流换热系数的确定（相应的准则方程参见第二章内容）。对流换热系数的大小与流体流动的状态（层流或紊流）、流体的物性参数、换热面的几何形状和位置等有关。判断流体流动状态的准则是雷诺数Re。对于管内流动，当Re≤2200时，流动属层流；当Re＞104时，流动属紊流；中间值时流动属层流向紊流过渡的过渡状态。一、环境的影响环境通过对空气物理特性的影响来改变强迫对流换热过程。空气的导热系数、粘度、比热及密度等均随环境条件而变化。空气的导热系数一般不受压力的影响，只有当压力低于1360Pa时，导热系数随压力降低而降低。导热系数也随温度的降低而降低。空气的动力粘度μ随温度的升高而增大，而不受压力的影响。干燥空气的密度可由下式计算：式中：ρ——空气密度，kg/m3；

t——温度，℃；

P1——使用大气压力，Pa。二、空气吸收的热流量和质量流量空气吸收的热量可用下式计算：式中：Φ——空气吸收的热流量，W；

qm——空气的质量流量，kg/s；

cp——定压比热，J/(kg·℃)；

Δt——空气的温升，℃。一般为10～15℃。空气的质量流量由下式计算：式中：qV——空气的体积流量，m3/s；

ρ——空气密度，kg/m3。工程中按照1.5～2倍的裕量选择风扇的最大风量。三、强迫对流换热准则方程气体平行流过平板表面式中：L——表面长度。L限制在0.6m，超过的也取0.6m。空气掠过球体空气掠过圆柱体或导线式中：b和m——雷诺数的函数，具体取法见表7-1。形状雷诺数Rebm0.4～4.04.0～4040～40004000～4000040000～4000000.8910.8210.6150.1740.02390.3300.3850.4660.6180.8055000～100000.09210.6755000～1000000.2220.585表7-1上式中的b和m的取值对于表中的正方形和菱形截面，特征尺寸D就是周边尺寸相同的圆形截面的直径D。第八章LED的热学指标8.1结温对LED性能的影响8.2LED灯具热量传递的过程8.3LED结温的测量8.1结温对LED性能的影响温度对半导体的工作特性具有重要影响，半导体的电学参数和使用寿命都会因为温度的升高而发生变化。LED是发光半导体器件的一种，除了电学参数、使用寿命会受到温度的影响之外，其光输出也会受到温度的影响。特别是对于用于生活照明的大功率白光LED，温度除了影响其寿命外，还对其光效、色温、颜色等输出参数具有较大影响。结温对LED发光光效的影响当LED结温上升时，外延层之间的晶格失配，形成位错结构缺陷、快速繁衍、降低注入效率和发光效率。随着温度上升，光通量也将下降，当升至最大极限结温（如125℃）时，光通量就会急剧下降，直至损坏。过高的结温对LED发光效率的影响可从内量子效率降低和发光波长红移两方面分析。结温升高，导致LED光输出降低从图中可以看出光通量随着温度的升高而降低。通常我们说的光通量仅是在25℃的特例，因此，我们在描述光通量时必须在有环境温度下的情况下描述，否则没有实际意义。结温升高，导致发光波长红移温度的升高不仅会改变器件的内量子效率，造成光输出减少，还会改变器件的禁带宽度，使得LED的辐射光的主波长发生红移，其中LED的发光主波长与温度变化的关系如下式所示：其中，、分别是温度T与T0时发射光主波长，ΔT为温差。从该公式可以得到，芯片的结温每上升10℃，芯片发光的主波长将向长波方向移动2nm左右，这就改变了芯片发光的相对光谱组成，以至于荧光粉因为器件发出的光而失配，造成整体光输出的下降。结温对LED器件的寿命影响LED是发光器件，因此其寿命的定义与传统的半导体器件还有区别，传统的半导体器件的寿命器件技术指其器件的失效期限，而对于LED我们是将其作为一个光源来用，因此，当其光输出衰减到一定量(通常是初始值的70％)，即便LED还能发光，我们也认为其失效。因此LED的寿命包含两个层面的含义：器件的失效和光输出的减少。温度对LED失效的影响可从三方面考虑：对芯片：LED芯片中高电流密度会导致热化和强电场现象，同时持续的高温和强电场可能会增强原子的扩散和造成电极的意外熔合，并增加断层密度和点缺陷。高结温产生的热应力也可能导致半导体芯片中的原子扩散或断层运动的增强。化学反应和原子扩散会导致LED器件逐渐老化口。对电极的引线：电极引线一般具有较强的承受电流冲击和震动能力，但是由于环氧树脂，电极引线与芯片材料的热膨胀系数有差异，在高温下产生的不同形变会引起引线断裂，造成灾难性失效，因此采用热系数相近的材料是有效提高LED使用寿命的方法。在封装过程中，材料的不均匀或者焊接质量不好都会造成电极通电不均，导致局部过热和接触断裂，加速器件失效。温度对LED失效的影响可从三方面考虑：对环氧树脂：一方面，温度升高以及蓝光和紫外线的照射会使坏氧树脂的透明度严重下降，另一方面典型的LED由光学透明的环氧树脂封装温度升高到环氧树脂玻璃转换温度Tg时，环氧树脂由刚性的、类似玻璃的固体材料转换成有弹性的材料：如图8-1。通常情况，在玻璃转换温度Tg，环氧树脂的热膨胀系数(CTE)会有很大变化，一个大的热膨胀系数(CTE)使得封装树脂在温度变化的过程中，膨胀和收缩加剧，这将导致金线(或铝线)键合点位移增大，金线(或铝线)过早疲劳和损坏，造成LED开路和突然失效。8-1环氧树脂CTE随温度变化曲线8.2LED灯具热量传递的过程对于一个LED灯具，热量首先由LED芯片产生，然后通过热传导﹑对流﹑辐射三种方式进行传递。对于大功率LED灯具大体上都沿着以下路径传导：LED芯片﹑固晶层﹑基板（MCPCB）﹑导热胶﹑散热器﹑空气。结合灯具的实际结构来看，热传导、对流是最主要的传热方式，因此在考虑如何提高LED灯具的散热性能的时候，主要是通过改变LED灯具系统的各个环节的热传导能力来达到有效散热的目的。LED的热阻通过上节的分析可知：LED的结温对LED的性能影响至关重要，因此，我们必须了解LED的热阻的概念。只要知道了LED焊盘到PN结的热阻，就可以根据功率和焊盘处的温度计算出PN的结温。在LED点亮后达到热量传导稳态时，芯片表面每耗散1W的功率，芯片pn结点的温度与连接的支架或铝基板的温度之间的温差就称为热阻Rth，单位为℃/W。数值越低，表示芯片中的热量传导到支架或铝基板上就越快。这有利于降低芯片中的pn结的温度，从而延长LED的寿命。LED热阻的计算上图是一个典型的LED器件结构示意图。由图知，暂不计LED芯片有源层到衬底间的热阻，则芯片内部主要是衬底的热阻，我们用RθS来表示；第二，衬底与引线支架间由于存在粘结层，因此衬底到支架有一个粘结材料引入的热阻，用Rθx来表示；第三，安放芯片的支架到自由空间的热阻Rθf，这三个热阻构成LED芯片PN结到空气之间的总热阻Rθ，于是Rθ=RθS+Rθx+RθfLED热阻的计算衬底到支架的热阻。假定芯片衬底是一个200μm的正方形，银胶的厚度为100μm,已知银胶的导热系数为20W/m*k,可求得芯片衬底到支架的热阻为：Rθx=h/ρ银胶*s=0.1mm/20W/m*k*0.2mm*0.2mm≈125℃/WLED衬底的热阻。

若LED衬底是GaAs，则ρGaAs≈18W/m*k,当厚度为0.2mm时，衬底的热阻：RθS=0.2mm/18W/m*k*0.2*0.2*10-8M2≈138℃/W支架的热阻。铁支架到空气的热阻可求得为4.2℃/W，这个LED的总热阻Rθ=RθS+Rθx+Rθf=267℃/W。这个LED当使用环境温度为65℃时，它最多能承受的电功率小于0.2W。LED热阻的计算上面讨论中，还未计入芯片有源层本身的热阻，只是这一层比较薄，尽管也是GaAs材料，由于厚度公几十微米，其热阻较衬底4～5倍，约在30℃/W左右。可以看出，普通封装的LED其总热阻在300℃/W左右，只适用于小功率使用。LED热阻的减小方式根据上述的热阻模型，LED的热阻的主要贡献在于衬底和衬底到支架间的粘合材料引起的热阻，对于功率LED要降低热阻除加大衬底面积（即芯片面积）外，用高导热系数材料作衬底，及用高导热系数的合金材料作粘结料是降低LED热阻的主要途径。LED热阻的减小方式例如，用导热系数为75W/M*K的硅材料作衬底，在芯片面积为1mm2,硅衬底厚度为0.8mm时，衬底的热阻RθS为：RθS=h/ρsi*s=0.3*10-3/75*1*10-6≈4℃/W这就比常规0.2mm*0.2mm面积的GaAs衬底热阻低得多。若再用纯锡（Sn）作衬底与支架的焊料时，粘结层热阻Rθx就为：Rθx=h/ρsi*s=0.2*10-3/76W/m*k*1*10-6≈2.6℃/W这样，功率LED的总热阻有望可以控制在4～6℃/W以内，此时热阻主要贡献在于芯片材料本身。LED热阻的读取在LED规格书中，都有以下两个图像（科锐某款LED）：从这两个图像中可以得出LED消耗的功率和LED的热阻：热阻=（PN结的极限温度-折线拐角处的环境温度值）/功率LED热阻的读取我们做LED灯具设计，了解到LED的热阻，进而通过计算结温，这样也就简单了，但是由于一些小的厂家随意标称参数，热阻的定义并不准确。下面为某个厂家3528、2835、3014三种不同封装的产品，但是其中的正向电流递减曲线图均相同。那我们读取这个参数计算热阻还有意义吗？8.3LED结温的测量通过上面的分析，我们了解到部分厂家的规格书中数据并不可信。因此我们需要测试LED的结温。1.什么是LED的结温LED的基本结构是一个半导体的P—N结。实验指出，当电流流过LED元件时，P—N结的温度将上升，严格意义上说，就把P—N结区的温度定义为LED的结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。2.热性能测量仪器温度测量仪器的分类：1.接触式测温当两个物体接触后，经过足够长的时间达到热平衡后，则它们的温度必然相等。如果其中之一为温度计就可以用它对另一个物体实现温度测量，这种测温方式称为接触法。特点：温度计要与被测物体有良好地热接触，使两者达到热平衡。2.热性能测量仪器温度测量仪器的分类：2.非接触式测温利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定物体温度，这种测温方式称为非接触法。特点：不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，热惯性小。热电偶温度传感器温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。热电偶的工作原理两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路