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,

Size: px

Start display at page:

Download "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,"

浇甄
5 years ago
Views:

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)

1 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, 寿命为小时 ;TJ=80 时, 寿命降到小时 ;TJ=115 时, 其寿命只有小时了 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, 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

2 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-TC)/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

3 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 = TJ 计算 TJ=RJC PD+TC=RJC(IF VF)+TC TJ=16 /W(500mA 3.97V) +71 =103 2.RBA 计算

4 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

5 1 2 年以上电子设备热分析热设计工作经验, 了解有限元及传热模拟知识, 有 LED 照明产品热设计者尤佳 ; 2 从事过电子产品散热模组的研究开发, 对大功率 LED 散热系统设计有一定经验者优先, 如 : 支架基板散热器等 ; 3 精通热传导散热理论, 能够独立分析产品的热能, 对金属材料表面处理工艺的导热与散热性能有深入了解 ; 4 掌握常用散热技术散热器选型方法, 能够熟练使用热分析软件进行设计与仿真, 如 :Fluent Ansys Desingspace 等 ; 5 有高度的责任心和敬业心, 有团队合作精神和良好的沟通协调能力, 能够独立完成项目开发 3 年以上 LED 照明产品光学设计工作经验, 擅长 LED 透镜设计, 对光学模具有深入的了解, 熟悉照明行业的相关标准 ; 2 精通光学原理, 特别是各种透镜的原理及其应用, 有扎实的光学基础知识, 会分析光路中出现的干扰并找出解决办法 ; 3 熟练操作光学软件 TracePro Lighttools ASAP Calelux Zemax 等光学设计软件之一 4 严谨的工作态度, 良好的团队协作能力沟通能力. 能够解决 LED 路灯防雨防晒通风散热的处理要求 ; 5 熟悉照明行业相关标准及相应的测试方法, 对 LED 照明产业发展方向有深入全面的了解 ; 6 具备较强的沟通协调能力与项目管理知识; 7 有良好的职业道德, 能吃苦耐劳, 有钻研精神与工作热情, 工作认真仔细 ; 有较强的判断决策计划与执行能力 ; 8 熟练掌握 Pro/e 3DMX CAD 好的表达能力和沟通能力, 具有团队精神 ; 2 熟悉户外灯具室内灯具小夜灯等产品的开发测试和生产; 3 熟悉 LED 灯珠及 LED 灯具的发光特性, 熟悉二次光学设计 ; 4 熟练使用 zemax lightools tracepro 等光学设计软件中的一种或几种 ; 5 良好的光度学和色度学基础; 根据公司战略规划, 结合 Led 应用产品行业前景, 提出研发部战略规划 2 根据战略规划, 拟定新产品开发计划及预算控制方案 3 组织实施已批准的产品开发计划方案, 并确保计划方案按进度实施, 达成目标 4 编写或审核新产品开发的可行性报告 5 研发技术的沉淀及运用和产品实现上市 6 产品制程工艺及 BOM 的制定及完善改进创新 7 新产品量产的规划及工艺技术, 品质控制 8 负责部门下属的培训考核激励教育训练及人才梯队培养和团队建设管理 9 协助市场部解决客户技术问题及应客户需求实现产品推陈出新 10 参与公司战略规划和年度计划三岗位要求 : 1 电子类或照明工业机械制造专业本科以上学历 2 有 LED 灯应用产品经验 5 年以上 ( 具有独立 LED 室内照明产品结构设计开发制造的经验 ) 3 具备研发技术团队建设和管理能力 4 具备从产品规划和项目实施产品量产及产品推陈出新量产上市的能力 5 诚信严谨认真积极主动担当

6 6 思维敏捷卓识远见逻辑思维强, 极富创新性和团队精神 7 对 LED 照明市场有广泛而深刻的认识, 在 LED 照明方面有独道见解

LPKFPCB LPKF ProConductProMask LPKF 1,800W mm (inch) 580/290/350 (22.8"/11.4"/13.8") mm (inch) 440/210/290 (17.3"/8.3"/11.4") PCB ProtoMask 35

LPKFPCB LPKF ProConductProMask LPKF 1,800W mm (inch) 580/290/350 (22.8/11.4/13.8) mm (inch) 440/210/290 (17.3/8.3/11.4) PCB ProtoMask 35 LPKF LPKF LPKF LPKF LPKF LPKF LPKF LPKF 的吸尘器噪音适用于 ProtoMat S 系列和激光设备 ProtoLaser S U ProtoMat S ProtoLaser S U 22,500 Pa 241 m 3 /hour (142 cfm) 800W (230V/50Hz) 250mm/300mm/350mm (10"/12"/14") 噪音 50 db(a)