灯珠结温和散热面积计算理论

灯珠结温和散热面积计算理论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。

K2系列白光LED的结温TJ与相对出光率的关系。

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；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。

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。

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，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5其正反面图形如图处散热。

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－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3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。

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*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。

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。

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℃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℃/W4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。

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。

1、能够熟练使用热分析软件进行设计与仿真，如：Fluent、Ansys、Desingspace 等；2、熟练使用zemax、lightools、tracepro等光学设计软件中的一种或几种。

5二、计算公式导热公式导热过程中传递的热量按照Fourier导热定律计算：Q=λA(Th-Tc)/δ其中： A 为与热量传递方向垂直的面积，单位为m2;Th 与Tc 分别为高温与低温面的温度，δ为两个面之间的距离，单位为m。

λ为材料的导热系数，单位为W/(m*℃），表示了该材料导热能力的大小。

一般说，固体的导热系数大于液体，液体的大于气体。

例如常温下纯铜的导热系数高达400W/(m*℃），纯铝的导热系数为236W/(m*℃），水的导热系数为0.6 W/(m*℃），而空气仅0.025W/(m*℃）左右。

铝的导热系数高且密度低，所以散热器基本都采用铝合金加工，但在一些大功率芯片散热中，为了提升散热性能，常采用铝散热器嵌铜块或者铜散热器。

对流换热公式6对流换热的热量按照牛顿冷却定律计算：Q=hA(Tw -Tair )其中：A 为与热量传递方向垂直的面积，单位为m2 ;Th 与Tc 分别为固体壁面与流体的温度，h是对流换热系数，自然对流时换热系数在1～10W/(℃*m2)量级，实际应用时一般不会超过3～5W/(℃*m2)；强制对流时换热系数在10～100W/(℃*m2)量级，实际应用时一般不会超过30W/(℃*m2）。

热阻的概念公式对导热和对流换热的公式进行变换：Fourier导热公式：Q=λA(Th-Tc)/δQ=(Th－Tc)/[δ/(λA)]Newton对流换热公式：Q=αA(Tw-Tair) Q=(Tw-Tair)/(1/αA)热量传递过程中，温度差是过程的动力，好象电学中的电压，换热量是被传递的量，好像电学中的电流，因而上式中的分母可以用电学中的电阻概念来理解成导热过程的阻力，称为热阻（thermal resistance），单位为℃/W, 其物理意义就是传递1W 的热量需要多少度温差。

在热设计中将热阻标记为R或θ。

δ/(λA)是导热热阻，1/αA是对流换热热阻。

器件的资料中一般都会提供器件的Rjc和Rja热阻，Rjc是器件的结到壳的导热热阻；Rja是器件的结到壳导热热阻和壳与外界环境的对流换热热阻之和。

这些热阻参数可以根据实验测试获得，也可以根据详细的器件内部结构计算得到。

根据这些热阻参数和器件的热耗，就可以计算得到器件的结温。

7℃，而长期使用结温不允许，短时间运行其最高允许结温为125对于高功率LED 80℃。

℃，对于低功率LED，其最高允许结温为超过110在散热设计中我们通常考虑几个方面：导热材料，传导介质，热能位置，吸热界面，热流方向，环境温度等等。

;LED灯具热分析公式一，ＴＴ)/P(- Ta-Rthj-sp * P R ≦Ta + ( R×P )+( R ×P ) led thj-sp ledj thb-a thb-aj ≧式中：Ｔ℃单位: Ta----使用环境温度, 单位LED理论结点温度,:℃j---------:W;,单位P单颗LED功率:℃/W; R 灯具散热部件总热阻, 单位led-----thb-a----/W;℃. 单位: R 单颗LED热阻总功率,单位:WP----LED thj-sp----二,散热计算公式：RJA=RJC+RCB+RBA RJA=（TJ－TA）/PD PD=VF×IFRJA=(TJ－TC)/PD+(TC－TA)/PDRJC=(TJ－TC)/PDRBA=(TC－TA)/PD TJ=RJC×PD+TC=RJC（IF×VF）+TC式中：TJ是结温；TA是工作环境温度；TC是散热垫底部的温度；RJA是总热阻；RJC是LED热阻；RCB敷铜层热阻；RBA是环境空气热阻；三，热阻（表征阻止热量传递的能力的综合参量），单位℃/W，方程式中用“R”或“θ”表示。