散熱計(jì)算方法.doc

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。 K2系列白光LED的結(jié)溫TJ與相對(duì)出光率的關(guān)系。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。 ：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TJTJmax。 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。 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)。 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TJ，環(huán)境空氣的溫度為TA,散熱墊底部的溫度為Tc（TJTcTA），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，則上式可寫成： RJA=RJC+RBA 散熱的計(jì)算公式 若結(jié)溫為TJ、環(huán)境溫度為TA、LED的功耗為PD,則RJA與TJ、TA及PD的關(guān)系為： RJA=（TJTA）/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=VFIF (2) 如果已測(cè)出LED散熱墊的溫度TC，則(1)式可寫成： RJA=(TJTC)/PD+(TCTA)/PD 則RJC=(TJTC)/PD (3) RBA=(TCTC)/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TJTJmax。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。 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35m銅層及1.5mm鋁合金的MCPCB。 柔*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。13W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。 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（4040mm）、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。 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=RJCPD+TC=RJC（IFVF）+TC TJ=16/W（500mA3.97V） +71=103 2.RBA計(jì)算 RJA=（TCTA）/PD =（7125）/1.99W =23.1/W 3.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，直到滿足TJTJmax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（500mA3.65V）+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?。?。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。 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1530）。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裝，其散熱條件不同，對(duì)測(cè)TC有一定影響，燈具的外殼材料、尺寸及有無(wú)散熱孔對(duì)散熱也有影響。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要留有余地。 1、2年以上電子設(shè)備熱分析、熱設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)，了解有限元及傳熱模擬知識(shí)，有LED照明產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)者尤佳；2、從事過(guò)電子產(chǎn)品散熱模組的研究開發(fā)，對(duì)大功率LED散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定經(jīng)驗(yàn)者優(yōu)先，如：支架、基板、散熱器等；3、精通熱傳導(dǎo)、散熱理論，能夠獨(dú)立分析產(chǎn)品的熱能，對(duì)金屬材料表面處理工藝的導(dǎo)熱與散熱性能有深入了解；4、掌握常用散熱技術(shù)、散熱器選型方法，能夠熟練使用熱分析軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，如：Fluent、Ansys、Desingspace等；5、有高度的責(zé)任心和敬業(yè)心，有團(tuán)隊(duì)合作精神和良好的溝通協(xié)調(diào)能力，能夠獨(dú)立完成項(xiàng)目開發(fā)。3年以上LED照明產(chǎn)品光學(xué)設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)，擅長(zhǎng)LED 透鏡設(shè)計(jì)，對(duì)光學(xué)模具有深入的了解，熟悉照明行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；2、精通光學(xué)原理，特別是各種透鏡的原理及其應(yīng)用，有扎實(shí)的光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，會(huì)分析光路中出現(xiàn)的干擾并找出解決辦法；3、熟練操作光學(xué)軟件TracePro、Lighttools、ASAP、Calelux、 Zemax等光學(xué)設(shè)計(jì)軟件之一。4、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、溝通能力.能夠解決 LED路燈防雨、防曬、通風(fēng)、散熱的處理要求；5、熟悉照明行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的測(cè)試方法，對(duì)LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向有深入全面的了解；6、具備較強(qiáng)的溝通、協(xié)調(diào)能力與項(xiàng)目管理知識(shí)；7、有良好的職業(yè)道德，能吃苦耐勞，有鉆研精神與工作熱情，工作認(rèn)真仔細(xì)；有較強(qiáng)的判斷、決策、計(jì)劃與執(zhí)行能力；8、熟練的掌握Pro/e、3DMX、CAD好的表達(dá)能力和溝通能力，具有團(tuán)隊(duì)精神；2、熟悉戶外燈具、室內(nèi)燈具、小夜燈等產(chǎn)品的開發(fā)、測(cè)試和生產(chǎn)；3、熟悉LED燈珠及LED燈具的發(fā)光特性，熟悉二次光學(xué)設(shè)計(jì)；4、熟練使用zemax、lightools、tracepro等光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中的一種或幾種；5、良好的光度學(xué)和色度學(xué)基礎(chǔ)；、根據(jù)公司戰(zhàn)略規(guī)劃，結(jié)合Led 應(yīng)用產(chǎn)品行業(yè)前景，提出研發(fā)部戰(zhàn)略規(guī)劃。2、根據(jù)戰(zhàn)略規(guī)劃，擬定新產(chǎn)品開發(fā)計(jì)劃及預(yù)算控制方案。3、組織實(shí)施已批準(zhǔn)的產(chǎn)品開發(fā)計(jì)劃方案，并確保計(jì)劃方案按進(jìn)度實(shí)施，達(dá)成目標(biāo)。4、編寫或?qū)徍诵庐a(chǎn)品開發(fā)的可行性報(bào)告。5、研發(fā)技術(shù)的沉淀及運(yùn)用和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)上市。6、產(chǎn)品制程工藝及BOM的制定及完善、改進(jìn)、創(chuàng)新。7、新產(chǎn)品量產(chǎn)的規(guī)劃及工藝技術(shù)，品質(zhì)控制。8、負(fù)責(zé)部門下屬的培訓(xùn)、考核激勵(lì)、教育訓(xùn)練及人才梯隊(duì)培養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)建設(shè)、管理。9、協(xié)助市場(chǎng)部解決客戶技術(shù)問(wèn)題及應(yīng)客戶需求實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品推陳出新。10、參與公司戰(zhàn)略規(guī)劃和年度計(jì)劃。三