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1、灯珠结温和散热面积计算理论一、基础理论大功率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150C）,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125C ）就可
2、以了。但在大功率LED散热设计中，其结温TJ要求比125C 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。K2系列白光LED的结温TJ与相对出光率的关系。在 TJ=25C时，相对出光率为1; TJ=70C时相对出光率降为0.9; TJ=115C时，则降到0.8 了； TJ=50C时，寿命为90000小时；TJ=8C时，寿命降到 34000小时；TJ=115C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即卩TJ< TJmax大功率LED的散热路径.大功率
3、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。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。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
4、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 RJ(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二RJC+RCB+RBA各热阻的单位是C /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二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P
5、D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=VFK IF (2)如果已测出LED散热垫的温度TC,则(1)式可写成：RJA=(T-J TC)/PD+(TC- TA)/PD则 RJC=(T-JTC)/PD (3) RBA=(TC- TA)/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
6、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TCo在(4)式中，TC及TA可以测出，PD可以求出，贝S 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®更小的大功率LED使满足计算出来的TJ<
7、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乍散热的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。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35 am铜层及1.5mm铝合金的MCPCB柔*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。13W 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。计算举例 这里采用了 NICHIA公司的测量TC的实例中取部分
8、数据作为计算举例。已知条件如下：LED 3W白光LED型号MCCW022、RJC=1&/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 x 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=500mAVF = 3.97V 用K型热电偶点温度计测TC, TC=71C。测试时环境温度TA = 25C .1. TJ计算TJ=RJxC PD+TC=RJ（CIFx VF） +TCTJ=16C/W（500mAx 3.97V） +71C=103C2. R BA计算RJA=（TCTA） /PD=（71C25C） /1.99W=23.1C/W3. RJA计算RJA=RJC+RBA = C1 6/W+23 . 1 C /W =39.1C/W如果设计的TJmax=9C，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< TJmax3 / 10