[圖文]大功率LED的散熱設計(圖)

近年來，大功率LED發(fā)展較快，在結構和性能上都有較大的改進，產量上升、價格下降；還開發(fā)出單顆功率為100W的超大功率白光LED。與前幾年相比較，在發(fā)光效率上有長足的進步。例如，Edison公司前幾年的20W白光LED，其光通量為700lm，發(fā)光效率為35lm/W。2007年開發(fā)的100W白光LED，其光通量為6000lm，發(fā)光效率為60lm/W。又例如，Lumiled公司最近開發(fā)的K2白光LED，與其Ⅰ、Ⅲ系列同類產品比較如表1所示。從表中可以看出：K2白光LED在光通量、最大結溫、熱阻及外廓尺寸上都有較大的改進。Cree公司新推出的XLamp XR～E冷白光LED，其最高亮度擋QS在350mA時光通量可達107～114lm。這些性能良好的大功率LED給開發(fā)LED白光照明燈具創(chuàng)造了條件。

前幾年，各種白光LED照明燈具主要是采用小功率Φ5白光LED來做的。如1～5W的燈泡、15～20W的管燈及40～60W的路燈、投射燈等。這些燈具使用了幾十到幾百個Φ5白光LED，生產工藝復雜、可靠性差、故障率高、外殼尺寸大，并且亮度不足。為改進上述缺點，這幾年逐步采用大功率白光LED來替代Φ5白光LED來設計新型燈具。例如，用18個2W的白光LED做成的街燈，若采用Φ5白光LED則要幾百個。另外，用一個1.25W的K2系列白光LED，可做成光通量為65lm的強光手電筒，照射距離可達幾十米。若采用Φ5白光LED來做則是不可能的。

圖1  結溫TJ與相對出光率關系圖

用大功率LED做的燈具其價格比白熾燈、日光燈、節(jié)能燈要高得多，但它的節(jié)能效果及壽命比其他燈具也高的多。如果在路燈系統(tǒng)及候機大廳、大型百貨商場或超市、高級賓館大堂等用電大戶的公共場所全部采用LED燈具，其一次性投資較高，但長期的節(jié)電效果及經濟性都是值得期待的。

目前主要采用1～3W大功率白光LED作照明燈，因為其發(fā)光效率高、價格低、應用靈活。

 

大功率LED的散熱問題
LED是個光電器件，其工作過程中只有15%～25%的電能轉換成光能，其余的電能幾乎都轉換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱是個大問題。例如，1個10W白光LED若其光電轉換效率為20%，則有8W的電能轉換成熱能，若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會急速上升，當其結溫（T_J）上升超過最大允許溫度時（一般是150℃），大功率LED會因過熱而損壞。因此在大功率LED燈具設計中，最主要的設計工作就是散熱設計。

另外，一般功率器件（如電源IC）的散熱計算中，只要結溫小于最大允許結溫溫度（一般是125℃）就可以了。但在大功率LED散熱設計中，其結溫TJ要求比125℃低得多。其原因是T_J對LED的出光率及壽命有較大影響：T_J越高會使LED的出光率越低，壽命越短。

圖2  K2系列的內部結構

圖1是K2系列白光LED的結溫T_J與相對出光率的關系曲線。在T_J=25℃時，相對出光率為1；T_J=70℃時相對出光率降為0.9；T_J=115℃時，則降到0.8了。
表2是Edison公司給出的大功率白光LED的結溫T_J在亮度衰減70%時與壽命的關系（不同LED生產廠家的壽命并不相同，僅做參考）。

圖3  NCCWO22的內部結構

在表2中可看出：T_J=50℃時，壽命為90000小時；T_J=80℃時，壽命降到34000小時；T_J=115℃時，其壽命只有13300小時了。T_J在散熱設計中要提出最大允許結溫值T_Jmax,實際的結溫值T_J應小于或等于要求的T_Jmax,即TJ≤T_Jmax。

圖4  LED與PCB焊接圖

大功率LED的散熱路徑.
大功率LED在結構設計上是十分重視散熱的。圖2是Lumiled公司K2系列的內部結構、圖3是NICHIA公司NCCW022的內部結構。從這兩圖可以看出：在管芯下面有一個尺寸較大的金屬散熱墊，它能使管芯的熱量通過散熱墊傳到外面去。

圖5  雙層敷銅層散熱結構

大功率LED是焊在印制板（PCB）上的，如圖4所示。散熱墊的底面與PCB的敷銅面焊在一起，以較大的敷銅層作散熱面。為提高散熱效率，采用雙層敷銅層的PCB，其正反面圖形如圖5所示。這是一種最簡單的散熱結構。

圖6  散熱路徑圖

熱是從溫度高處向溫度低處散熱。大功率LED主要的散熱路徑是：管芯→散熱墊→印制板敷銅層→印制板→環(huán)境空氣。若LED的結溫為T_J，環(huán)境空氣的溫度為T_A,散熱墊底部的溫度為T_c（T_J＞T_c＞T_A），散熱路徑如圖6所示。

在熱的傳導過程中，各種材料的導熱性能不同，即有不同的熱阻。若管芯傳導到散熱墊底面的熱阻為R_JC（LED的熱阻）、散熱墊傳導到P_CB面層敷銅層的熱阻為R_CB、P_CB傳導到環(huán)境空氣的熱阻為R_BA,則從管芯的結溫T_J傳導到空氣T_A的總熱阻R_JA與各熱阻關系為：

R_JA=R_JC+R_CB+R_BA
各熱阻的單位是℃/W。

可以這樣理解：熱阻越小，其導熱性能越好，即散熱性能越好。  

 

如果LED的散熱墊與PCB的敷銅層采用回流焊焊在一起，則R_CB=0，則上式可寫成：
R_JA=R_JC+R_BA

散熱的計算公式
若結溫為T_J、環(huán)境溫度為T_A、LED的功耗為P_D,則R_JA與T_J、T_A及P_D的關系為：
R_JA=（T_J－T_A）/P_D        (1)

式中P_D的單位是W。P_D與LED的正向壓降V_F及LED的正向電流I_F的關系為：
P_D=V_F×I_F                      (2)

如果已測出LED散熱墊的溫度T_C，則(1)式可寫成：
R_JA=(T_J－T_C)/P_D+(T_C－T_A)/P_D                 
則R_JC=(T_J－T_C)/P_D         (3)

R_BA=(T_C－T_C)/P_D           (4)

在散熱計算中，當選擇了大功率LED后，從數(shù)據(jù)資料中可找到其R_JC值；當確定LED的正向電流I_F后，根據(jù)LED的V_F可計算出PD；若已測出T_C的溫度，則按（3）式可求出T_J來。

在測T_C前，先要做一個實驗板（選擇某種PCB、確定一定的面積）、焊上LED、輸入I_F電流，等穩(wěn)定后，用K型熱電偶點溫度計測LED的散熱墊溫度T_C。
在（4）式中，T_C及T_A可以測出，P_D可以求出，則R_BA值可以計算出來。

若計算出TJ來，代入（1）式可求出R_JA。

這種通過試驗、計算出TJ方法是基于用某種PCB及一定散熱面積。如果計算出來的T_J小于要求（或等于）T_Jmax，則可認為選擇的PCB及面積合適；若計算來的T_J大于要求的T_Jmax，則要更換散熱性能更好的PCB，或者增加PCB的散熱面積。

另外，若選擇的LED的R_JC值太大，在設計上也可以更換性能上更好并且R_JC值更小的大功率LED，使?jié)M足計算出來的T_J≤T_Jmax。這一點在計算舉例中說明。

 

各種不同的PCB
目前應用與大功率LED作散熱的PCB有三種：普通雙面敷銅板（FR4）、鋁合金基敷銅板（MCPCB）、柔性薄膜PCB用膠粘在鋁合金板上的PCB。
MCPCB的結構如圖7所示。各層的厚度尺寸如表3所示。

圖7  MCPCB結構圖

其散熱效果與銅層及金屬層厚如度尺寸及絕緣介質的導熱性有關。一般采用35μm銅層及1.5mm鋁合金的MCPCB。

柔性PCB粘在鋁合金板上的結構如圖8所示。一般采用的各層厚度尺寸如表4所示。1～3W星狀LED采用此結構。

采用高導熱性介質的MCPCB有最好的散熱性能，但價格較貴。

圖8  散熱層結構圖

 

計算舉例
這里采用了NICHIA公司的測量T_C的實例中取部分數(shù)據(jù)作為計算舉例。已知條件如下：
LED：3W白光LED、型號MCCW022、R_JC=16℃/W。K型熱電偶點溫度計測量頭焊在散熱墊上。

PCB試驗板：雙層敷銅板（40×40mm）、t=1.6mm、焊接面銅層面積1180mm2背面銅層面積1600mm2。

LED工作狀態(tài)：I_F=500mA、V_F = 3.97V。

按圖9用K型熱電偶點溫度計測T_C，T_C=71℃。測試時環(huán)境溫度T_A =  25℃.
1.TJ計算
T_J=R_JC×P_D+T_C=R_JC（I_F×V_F）+T_C

T_J=16℃/W（500mA×3.97V）
   +71℃=103℃

圖9   T_C測量位置圖

2.RBA計算
R_JA=（T_C－T_A）/P_D
   =（71℃－25℃）/1.99W
   =23.1℃/W

3.RJA計算
R_JA=R_JC+R_BA

   =16℃/W+23.1℃/W
   =39.1℃/W
如果設計的T_Jmax=90℃，則按上述條件計算出來的T_J不能滿足設計要求，需要改換散熱更好的PCB或增大散熱面積，并再一次試驗及計算，直到滿足T_J≤T_Jmax為止。

另外一種方法是，在采用的LED的R_JC值太大時，若更換新型同類產品R_JC=9℃/W(I_F=500mA時V_F=3.65V)，其他條件不變，T_J計算為：
T_J=9℃/W（500mA×3.65V）+71℃
  =87.4℃

上式計算中71℃有一些誤差，應焊上新的9℃/W的LED重新測T_C（測出的值比71℃略小）。這對計算影響不大。采用了9℃/W的LED后不用改變PCB材質及面積，其T_J符合設計的要求。

 

PCB背面加散熱片
若計算出來的T_J比設計要求的T_Jmax大得多，而且在結構上又不允許增加面積時，可考慮將PCB背面粘在“∪”形的鋁型材上（或鋁板沖壓件上），或粘在散熱片上，如圖10所示。這兩種方法是在多個大功率LED的燈具設計中常用的。例如，上述計算舉例中，在計算出T_J=103℃的PCB背后粘貼一個10℃/W的散熱片，其T_J降到80℃左右。

圖10  “∪”形鋁型材

這里要說明的是，上述T_C是在室溫條件下測得的（室溫一般15～30℃）。若LED燈使用的環(huán)境溫度T_A大于室溫時，則實際的TJ要比在室溫測量后計算的T_J要高，所以在設計時要考慮這個因素。若測試時在恒溫箱中進行，其溫度調到使用時最高環(huán)境溫度，為最佳。

另外，PCB是水平安裝還是垂直安裝，其散熱條件不同，對測T_C有一定影響，燈具的外殼材料、尺寸及有無散熱孔對散熱也有影響。因此，在設計時要留有余地。

 

結束語
采用一定散熱面積的PCB、裝上LED的試驗板，在LED工作狀態(tài)下測出T_C再計算的方法來作散熱設計是一種簡便、有效的方法，可以較好地設計出滿足結溫T_Jmax要求的散熱結構（PCB材質及面積）。

這種散熱設計方法除適用于大功率白光LED的照明燈具外，也適用于其他發(fā)光顏色的大功率LED燈具，如警示燈、裝飾燈等。