LED结温计算

LED的结温计算

LED的PN结结温主要影响LED光通量和寿命，本文用电压法对直插LED，食人鱼LED和大功率LED的结温和热阻进行了实验研究。在测量LED结温的同时，研究它的光谱变化，色光LED峰值波长的偏移与其结温存在线性关系，白光LED的总能量和蓝光能量比率(W/B)的变化与结温也存在线性的关系。

LED存在发热现象，随着LED的工作时间和工作电流的增加，其发光强度和光通量会下降，寿命降低，对白光还会导致激发效率的下降，这主要是由于LED结温升高导致的。对于白光LED，随着结温的增加，LED发出黄光和蓝光的强度以不同的速率下降,白光LED 的总能量和蓝光能量比率(W/B)与结温存在关系。

首先对LED的结温进行研究，由此可得到LED的热阻。然后在测量结温的同时，测量LED光谱变化，可以得出LED的PN结结温与色光LED峰值波长或白光LED的白色/蓝色能量比(W/B)之间存在一定的关系。因此可以采用非接触式方法来进行结温的测量。

测量原理

LED的结温是影响发光二极管各项性能指标的一个重要因素，测量LED结温的方法可用通过测量在不同环境温度下LED的正向电压的大小来得到。实验原理如图1所示，被测LED置于积分球内，积分球放在恒温箱的中间，积分球内的光经石英光纤导入SSP3112快速光谱分析仪，可以快速测取LED的峰值波长或W/B比率。将热电偶与LED管脚紧密接触，用测温仪读取不同加热电流和不同环境温度下的管脚温度。恒温箱的温度范围为0℃-150℃，精度1℃。PC机通过高速开关控制对LED的加热电流(IF)和参考电流(IFR)，并测量IF和IFR下的VF和VFR。

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。

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。

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。

按图9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=16℃/W(500mA×3.97V)+71℃=103℃

2.RCA计算

RCA=(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。

LED温度问题

LED光源不能超过80℃，随着LED温度的升高，其光输出和寿命则相应降低。

表2 大功率白光LED的结温T，在亮度衰减70%时与寿命的关系

T，(℃)Life(小时)T，(℃)Life(小时)

25234，0008529，500

30191，0009025，700

35157，0009522，300

40129，00010019，500

45107，00010517，100

5090，00011015，100