大功率LED的散熱設(shè)計(jì)

   近年來(lái)，大功率LED發(fā)展較快，在結(jié)構(gòu)和性能上都有較大的改進(jìn)，產(chǎn)量上升、價(jià)格下降；還開(kāi)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(zhǎng)足的進(jìn)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(kāi)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(kāi)發(fā)的K2白光LED，與其Ⅰ、Ⅲ系列同類(lèi)產(chǎn)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(jié)溫、熱阻及外廓尺寸上都有較大的改進(jìn)。Cree公司新推出的XLamp XR～E冷白光LED，其最高亮度擋QS在350mA時(shí)光通量可達(dá)107～114lm。這些性能良好的大功率LED給開(kāi)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(lái)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(gè)Φ5白光LED，生產(chǎn)工藝復(fù)雜、可靠性差、故障率高、外殼尺寸大，并且亮度不足。為改進(jìn)上述缺點(diǎn)，這幾年逐步采用大功率白光LED來(lái)替代Φ5白光LED來(lái)設(shè)計(jì)新型燈具。例如，用18個(gè)2W的白光LED做成的街燈，若采用Φ5白光LED則要幾百個(gè)。另外，用一個(gè)1.25W的 K2系列白光LED，可做成光通量為65lm的強(qiáng)光手電筒，照射距離可達(dá)幾十米。若采用Φ5白光LED來(lái)做則是不可能的。

圖1 結(jié)溫TJ與相對(duì)出光率關(guān)系圖

    用大功率LED做的燈具其價(jià)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(jī)大廳、大型百貨商場(chǎng)或超市、高級(jí)賓館大堂等用電大戶(hù)的公共場(chǎng)所全部采用LED燈具，其一次性投資較高，但長(zhǎng)期的節(jié)電效果及經(jīng)濟(jì)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?yàn)槠浒l(fā)光效率高、價(jià)格低、應(yīng)用靈活。

   大功率LED的散熱問(wèn)題
   LED是個(gè)光電器件，其工作過(guò)程中只有15%～25%的電能轉(zhuǎn)換成光能，其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱是個(gè)大問(wèn)題。例如，1個(gè)10W白光LED若其光電轉(zhuǎn)換效率為20%，則有8W的電能轉(zhuǎn)換成熱能，若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會(huì)急速上升，當(dāng)其結(jié)溫（TJ）上升超過(guò)最大允許溫度時(shí)（一般是150℃），大功率LED會(huì)因過(guò)熱而損壞。因此在大功率LED燈具設(shè)計(jì)中，最主要的設(shè)計(jì)工作就是散熱設(shè)計(jì)。

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

圖2  K2系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

   圖1是K2系列白光LED的結(jié)溫TJ與相對(duì)出光率的關(guān)系曲線(xiàn)。在TJ=25℃時(shí)，相對(duì)出光率為1；TJ=70℃時(shí)相對(duì)出光率降為0.9；TJ=115℃時(shí)，則降到0.8了。
  表2是Edison公司給出的大功率白光LED的結(jié)溫TJ在亮度衰減70%時(shí)與壽命的關(guān)系（不同LED生產(chǎn)廠(chǎng)家的壽命并不相同，僅做參考）。

圖3  NCCWO22的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在表2中可看出：TJ=50℃時(shí)，壽命為90000小時(shí)；TJ=80℃時(shí)，壽命降到34000小時(shí)；TJ=115℃時(shí)，其壽命只有13300小時(shí)了。TJ在散熱設(shè)計(jì)中要提出最大允許結(jié)溫