大功率LED的散熱設計

   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（TJ）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TJ對LED的出光率及壽命有較大影響：TJ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TJ與相對出光率的關系曲線。在TJ=25℃時，相對出光率為1；TJ=70℃時相對出光率降為0.9；TJ=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TJ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：TJ=50℃時，壽命為90000小時；TJ=80℃時，壽命降到34000小時；TJ=115℃時，其壽命只有13300小時了。TJ在散熱設計中要提出最大允許結溫