(ZT)大功率LED的散热设计(图)

近年来，大功率LED发展较快，在结构和性能上都有较大的改进，产量上升、价格下降；还开发出单颗功率为100W的超大功率白光LED。与前几年相比较，在发光效率上有长足的进步。例如，Edison公司前几年的20W白光LED，其光通量为700lm，发光效率为35lm/W。2007年开发的100W白光LED，其光通量为6000lm，发光效率为60lm/W。又例如，Lumiled公司最近开发的K2白光LED，与其Ⅰ、Ⅲ系列同类产品比较如表1所示。从表中可以看出：K2白光LED在光通量、最大结温、热阻及外廓尺寸上都有较大的改进。Cree公司新推出的XLamp XR～E冷白光LED，其最高亮度挡QS在350mA时光通量可达107～114lm。这些性能良好的大功率LED给开发LED白光照明灯具创造了条件。SimWe个人空间[P3YOfI ~Nv

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R#[Q;q3ol)Yze0前几年，各种白光LED照明灯具主要是采用小功率Φ5白光LED来做的。如1～5W的灯泡、15～20W的管灯及40～60W的路灯、投射灯等。这些灯具使用了几十到几百个Φ5白光LED，生产工艺复杂、可靠性差、故障率高、外壳尺寸大，并且亮度不足。为改进上述缺点，这几年逐步采用大功率白光LED来替代Φ5白光LED来设计新型灯具。例如，用18个2W的白光LED做成的街灯，若采用Φ5白光LED则要几百个。另外，用一个1.25W的K2系列白光LED，可做成光通量为65lm的强光手电筒，照射距离可达几十米。若采用Φ5白光LED来做则是不可能的。SimWe个人空间.FN-w$Z9d-s.F

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图1  结温TJ与相对出光率关系图

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用大功率LED做的灯具其价格比白炽灯、日光灯、节能灯要高得多，但它的节能效果及寿命比其他灯具也高的多。如果在路灯系统及候机大厅、大型百货商场或超市、高级宾馆大堂等用电大户的公共场所全部采用LED灯具，其一次性投资较高，但长期的节电效果及经济性都是值得期待的。

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目前主要采用1～3W大功率白光LED作照明灯，因为其发光效率高、价格低、应用灵活。

dkQlX;Wgc0大功率LED的散热问题
/g(s B n-\j:}2j(d0LED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（T_J）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。

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c|E1ba9ucb0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T_J对LED的出光率及寿命有较大影响：T_J越高会使LED的出光率越低，寿命越短。SimWe个人空间3U|PS!]6TTk

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图2  K2系列的内部结构

j-RWwW#tz-[0图1是K2系列白光LED的结温T_J与相对出光率的关系曲线。在T_J=25℃时，相对出光率为1；T_J=70℃时相对出光率降为0.9；T_J=115℃时，则降到0.8了。
P$f:zXq+m]0表2是Edison公司给出的大功率白光LED的结温T_J在亮度衰减70%时与寿命的关系（不同LED生产厂家的寿命并不相同，仅做参考）。SimWe个人空间4q%xA,b
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图3  NCCWO22的内部结构

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在表2中可看出：T_J=50℃时，寿命为90000小时；T_J=80℃时，寿命降到34000小时；T_J=115℃时，其寿命只有13300小时了。T_J在散热设计中要提出最大允许结温值T_Jmax,实际的结温值T_J应小于或等于要求的T_Jmax,即TJ≤T_Jmax。

图4  LED与PCB焊接图

大功率LED的散热路径.SimWe个人空间+BE+W x+GyWH|b B@
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。

图5  双层敷铜层散热结构

1dMn6Lq-NO0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。SimWe个人空间jK'p5~_!V(gq

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图6  散热路径图SimWe个人空间 }]V!{5WV o R"rlG

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*r@?Kd8TH0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T_J，环境空气的温度为T_A,散热垫底部的温度为T_c（T_J＞T_c＞T_A），散热路径如图6所示。

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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R_JC（LED的热阻）、散热垫传导到P_CB面层敷铜层的热阻为R_CB、P_CB传导到环境空气的热阻为R_BA,则从管芯的结温T_J传导到空气T_A的总热阻R_JA与各热阻关系为： SimWe个人空间o6T
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}g4aV0R_JA=R_JC+R_CB+R_BA
Y0At(D/CA0各热阻的单位是℃/W。SimWe个人空间L#hhjL*BeR*H

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Cp0Lup w)V0可以这样理解：热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。  

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如果LED的散热垫与PCB的敷铜层采用回流焊焊在一起，则R_CB=0，则上式可写成：SimWe个人空间0J$~7[PM N'? D
R_JA=R_JC+R_BA

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Fw&a5p&C Dl0SimWe个人空间xTsY m;p u9Gzd4nB
散热的计算公式SimWe个人空间/BN+l&I5Q]/Fl
若结温为T_J、环境温度为T_A、LED的功耗为P_D,则R_JA与T_J、T_A及P_D的关系为：SimWe个人空间*G$a4{!qm6_A
R_JA=（T_J－T_A）/P_D        (1)SimWe个人空间Qe v8^tj

Q9W(v:E2?tu@c#d0SimWe个人空间 A8y!@p*HC{Q}
式中P_D的单位是W。P_D与LED的正向压降V_F及LED的正向电流I_F的关系为：
-s/` Z)wv&@~0P_D=V_F×I_F                      (2)

S]8sh,R"UPU$U0如果已测出LED散热垫的温度T_C，则(1)式可写成：SimWe个人空间1Fq*vq.B%j
R_JA=(T_J－T_C)/P_D+(T_C－T_A)/P_D                  SimWe个人空间U.l,Ydxf H
则R_JC=(T_J－T_C)/P_D         (3)SimWe个人空间0Z,c7D4ivBei

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R_BA=(T_C－T_C)/P_D           (4)

(ntB|k0L `C0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R_JC值；当确定LED的正向电流I_F后，根据LED的V_F可计算出PD；若已测出T_C的温度，则按（3）式可求出T_J来。

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cIuC*Vo t0在测T_C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I_F电流，等稳定后，用K型热电偶点温度计测LED的散热垫温度T_C。
N-XF#T#F8@0在（4）式中，T_C及T_A可以测出，P_D可以求出，则R_BA值可以计算出来。

F:}2[3~T/c3]2[0SimWe个人空间h1E+M m]}
若计算出TJ来，代入（1）式可求出R_JA。SimWe个人空间0^;w.T-`)b9d,J8{"wB

1n9]t1TfJGk+H0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T_J小于要求（或等于）T_Jmax，则可认为选择的PCB及面积合适；若计算来的T_J大于要求的T_Jmax，则要更换散热性能更好的PCB，或者增加PCB的散热面积。

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另外，若选择的LED的R_JC值太大，在设计上也可以更换性能上更好并且R_JC值更小的大功率LED，使满足计算出来的T_J≤T_Jmax。这一点在计算举例中说明。SimWe个人空间!{3k1T
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~!b0各种不同的PCB
0`.D*S3W'@8i%@R^/]3s]0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。SimWe个人空间z Iz ii&i"r
MCPCB的结构如图7所示。各层的厚度尺寸如表3所示。SimWe个人空间bs\RV H9oc

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图7  MCPCB结构图SimWe个人空间kPWGc0['?Cv [
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Z Tzn/SH0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。SimWe个人空间8~1b)ip(K9VVNt

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r$N#VZ PR7wlB_0SimWe个人空间1~8k#kW]9vq.Xh
柔性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。

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采用高导热性介质的MCPCB有最好的散热性能，但价格较贵。SimWe个人空间"Z2mst?z8P.{ EU

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图8  散热层结构图

计算举例SimWe个人空间3V v_gv9Mg6B3P
这里采用了NICHIA公司的测量T_C的实例中取部分数据作为计算举例。已知条件如下：SimWe个人空间9K)CWNgu2D
LED：3W白光LED、型号MCCW022、R_JC=16℃/W。K型热电偶点温度计测量头焊在散热垫上。SimWe个人空间uLAA~B

_/eb+XuRSkT.A0SimWe个人空间-hIlT_5bE
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。

:x\ O&avlsV0LED工作状态：I_F=500mA、V_F = 3.97V。SimWe个人空间xQ!Ds*X

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按图9用K型热电偶点温度计测T_C，T_C=71℃。测试时环境温度T_A =  25℃.
2FR{m2s8fk)K01.TJ计算
}
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V {et0T_J=R_JC×P_D+T_C=R_JC（I_F×V_F）+T_CSimWe个人空间X!a*zN[

T_J=16℃/W（500mA×3.97V）
*},dTT%AF]#D0   +71℃=103℃

图9   T_C测量位置图SimWe个人空间l gU c` H-WK7R i

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2.RBA计算SimWe个人空间;on5o1t'k7C8_
R_JA=（T_C－T_A）/P_D
s2?5E#j w&T3s0   =（71℃－25℃）/1.99WSimWe个人空间OH"FNqS']:D
   =23.1℃/WSimWe个人空间~W/S6`KC7@+x-^

x(g\,TK#G.a!Z0SimWe个人空间0]7O5n8D#X.}&co6H y
3.RJA计算SimWe个人空间;s.j XXKS
R_JA=R_JC+R_BA

-lt$`1O2?y0   =16℃/W+23.1℃/WSimWe个人空间&U+rL1cqG#LKsiX
   =39.1℃/WSimWe个人空间-V a)Y*H,D ta
如果设计的T_Jmax=90℃，则按上述条件计算出来的T_J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T_J≤T_Jmax为止。SimWe个人空间%AI%XL SK

n @:B]:?5] YZl0SimWe个人空间;O`3iA:g)N
另外一种方法是，在采用的LED的R_JC值太大时，若更换新型同类产品R_JC=9℃/W(I_F=500mA时V_F=3.65V)，其他条件不变，T_J计算为：SimWe个人空间2IwT5o-b"^0za
T_J=9℃/W（500mA×3.65V）+71℃
v9u(Q#jMRaH]0  =87.4℃SimWe个人空间Z,p T | y-tg%|

s(G^5F&T,Y%N\)d0上式计算中71℃有一些误差，应焊上新的9℃/W的LED重新测T_C（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T_J符合设计的要求。

*[2{{Q0tE:m0 

-EO%c"W z1]s0PCB背面加散热片
-Mue}uI0若计算出来的T_J比设计要求的T_Jmax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T_J=103℃的PCB背后粘贴一个10℃/W的散热片，其T_J降到80℃左右。SimWe个人空间~
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图10  “∪”形铝型材

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+k&mG9cZ"bY]f0这里要说明的是，上述T_C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T_A大于室温时，则实际的TJ要比在室温测量后计算的T_J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。SimWe个人空间x"@V-`'N gL

q`V6Q+XK)q/C0另外，PCB是水平安装还是垂直安装，其散热条件不同，对测T<sub>C</sub>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。SimWe个人空间4\Y`:v+\#W\9K*T

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|)yM]h!@0结束语
GO'c&\7t0lS0采用一定散热面积的PCB、装上LED的试验板，在LED工作状态下测出T_C再计算的方法来作散热设计是一种简便、有效的方法，可以较好地设计出满足结温T_Jmax要求的散热结构（PCB材质及面积）。SimWe个人空间+Z/A#u ~;E#R4Jtj|ZF

4Z \W6oCa0SimWe个人空间[vs5XoIg$A
这种散热设计方法除适用于大功率白光LED的照明灯具外，也适用于其他发光颜色的大功率LED灯具，如警示灯、装饰灯等。SimWe个人空间$d7b&w;`wwXr
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