LED散热计算公式详解

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
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,散热垫底部的温度为Tc（TJ＞Tc＞ TA），散热路径如图6所示。
当LED的电流小于150mA是为小功率的LED(又叫LED).当流过LED 的电流大于150mA时称为功率LED(HBLED). 也可以考虑热管导热,有液态单相和液态/气态两相。如果功率 大了，这种就一定要用。CPU散热现在已经开始使用了。LED散 热也偶然见到有人用。 摘要：考虑热导率与散热方式的影响，使用大型有限元软件ANSYSl0.0 模拟并分析了大功率LED热分布。通过分析不同封装、热沉材料及散热 方式对LED热分布与最大散热能力的影响，指出解决LED散热问题的关键 不是寻找高热导率的材料，而是改变LED的散热结构或者散热方式。 1 引言 目前，很多功率型LED的驱动电流达到70 mA、100 mA甚至1 A，这 将会引起芯片内部热量*，导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉 加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。业内已经对大功率LED的散 热问题作出了很多的努力：通过对芯片外延结构优化设计，使用表面粗 化技术等提高芯片内外量子效率，减少无辐射复合产生的晶格振荡，从 根本上减少散热组件负荷；通过优化封装结构、材料，选择以铝基为主 的金属芯印刷电路板(MCPCB)，使用陶瓷、复合金属基板等方法，加快 热量从外延层向散热基板散发。多数厂家还建议在高性能要求场合中使 用散热片，依靠强对流散热等方法促进大功率LED散热。尽管如此，单 个LED产品目前也仅处于1～10 W级的水平，散热能力仍亟待提高。相当 多的研究将精力集中于寻找高热导率热沉与封装材料，然而当LED功率 达到lO W以上时，这种关注遇到了相当大的阻力。即使施加了风冷强对 流方式，牺牲了成本优势，也未能获得令人满意的变化。 讨论在现有结构、LED封装及热沉材料热导率等因素变化对于其最 大功率的影响，寻找影响LED散热的关键因素。研究方法为有限元热分 析法．该方法已有实验验证了LED有限元模型与其真实器件之间的差 别，证明其在误差许可范围内是准确可行的。 2 建立模型 2．1 有限元热分析理论 三维直角坐标系中的瞬态温度场场变量T(x，y，z，t)满足：
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。
再谈大功率散热问题的解决
大功率LED灯是否能正常工作,灯珠的质量好坏,与大功率LED的 散热有直接关系.现在大功率LED灯散热都是采用自然散热.效果 并不理想. LED大功率灯由LED;散热结构;驱动器;透镜组成. 散 热部分是一个很重要的部分. 散热的好坏直接影响大功率LED灯 的使用寿命和条件。 1.关于金属散热基板，目前有铝基板和铜基板，作为专业制造 的金属基板的厂家，建议大家采用性价比高的铝基板。铜基板 与铝基板的价格相差很多，铜基板在热的传导性方面是比铝要 好，但成本与重量比铝高得多了,建议用铝基板。再则现在有些 大功率LED厂家在大功率LED灯具上加一温控开关，并设定其温
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。
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。
：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
度值，当此处温度高于该值时就降低电流。缺点是灯光会暗一 些,但是影响不打，故该办法还是可行的 温度保护是必须的，产品不但需要同时也是对客户的负责。那 多少温度保护才合适呢？计算下吧。最高环境温度，夏天 40℃，在夏日光暴晒50℃，50℃环境温度是实际的，参见一般 大功率LED规格书结温度在120℃是可以承受的，芯片到铝基板 的热阻，规格书一般推荐10-15℃，那LED基板要保证在12015=105℃。好，保留温差取50--105℃中间值77.5℃，一般电子 元器件工作温度在85℃是可靠的，77℃是符合这个原则的。建 议77℃开始启动保护，85℃前大幅度的减低电流，90℃彻底完 成产品温度保护功能。 一个值得回味的问题：为何不在温度还没有升起来的时候就控 制一个较小的电流？这样使用户也不会觉得不适，同时温度又 不会升得很快，甚至不会达到过高的温度。 我觉得降低电流来减少发热，同时又不降低亮度是不现实的。 这样就有了1W和3W大功率LED灯珠共体这种做法。也就是所在大 功率温度升到一定的高的时候把大功率从3W降到1W那样就不会 让温度继续上升，有效控制了大功率LED的温度问题。 总的来说：1.提高其发光效率。现现高功率LED已达到5070LM/W，发展的方向将达到140lm/W以致更高。可以想象这将对 热量问题从根本上改善。 2.加强散热。这是目前情况下有效的 解决手段。 我现在自已用的一个LED灯，用在床头照明用。不过不是高功率 型的。是自已用白光LED做的。一开始电流太大，总烧灯仔。增 加散热孔效果不很理想。计算后发现其电流达到56mA(分两路， 每路约28mA)。后来重新计算了电流，更改元件，控制电流到 15mA左右，热量有很大改观。当然亮度也不一样。 我见过的方案是大功率路灯使用的，主要是使用铝基板，铜基 板经济性差一点，不过可以增加铜导热管。 还有加风扇的，虽然风扇的寿命差一点，不过总比换LED划算， 而且有两台风扇，采用温度保护，超温后逐渐开启2台风扇，然 后还可以再在超温的同时关闭部分LED，以降低总功率，实际上 和降低电流效果类似。 所谓大功率LED只是相对于以前的LED而言，实际功率并不是很 大，一般只有1~2W。在多的都是芯片叠加出来的，现在很多公 司都在推出这种LED，你只要在电子工程专辑的网站上搜索一下 LED，你会发现最近新推出的LED大都是大功率LED。
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）+TC TJ=16℃/W（500mA×3.97V） +71℃=103℃ 2.RBA计算 RJA=（TC－TA）/PD =（71℃－25℃）/1.99W =23.1℃/W 3.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wenku.baidu.com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。
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。
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：