[圖文]大功率LED的散熱設(shè)計(jì)(圖)

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(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的散熱問題
LED是個(gè)光電器件，其工作過程中只有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（T_J）上升超過最大允許溫度時(shí)（一般是150℃），大功率LED會(huì)因過熱而損壞。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T_J對(duì)LED的出光率及壽命有較大影響：T_J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T_J與相對(duì)出光率的關(guān)系曲線。在T_J=25℃時(shí)，相對(duì)出光率為1；T_J=70℃時(shí)相對(duì)出光率降為0.9；T_J=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T_J在亮度衰減70%時(shí)與壽命的關(guān)系（不同LED生產(chǎn)廠家的壽命并不相同，僅做參考）。

圖3  NCCWO22的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在表2中可看出：T_J=50℃時(shí)，壽命為90000小時(shí)；T_J=80℃時(shí)，壽命降到34000小時(shí)；T_J=115℃時(shí)，其壽命只有13300小時(shí)了。T_J在散熱設(shè)計(jì)中要提出最大允許結(jié)溫值T_Jmax,實(shí)際的結(jié)溫值T_J應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是十分重視散熱的。圖2是Lumiled公司K2系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、圖3是NICHIA公司NCCW022的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從這兩圖可以看出：在管芯下面有一個(gè)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(jié)構(gòu)

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(jiǎn)單的散熱結(jié)構(gòu)。

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(jié)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(dǎo)過程中，各種材料的導(dǎo)熱性能不同，即有不同的熱阻。若管芯傳導(dǎo)到散熱墊底面的熱阻為R_JC（LED的熱阻）、散熱墊傳導(dǎo)到P_CB面層敷銅層的熱阻為R_CB、P_CB傳導(dǎo)到環(huán)境空氣的熱阻為R_BA,則從管芯的結(jié)溫T_J傳導(dǎo)到空氣T_A的總熱阻R_JA與各熱阻關(guān)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(dǎo)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(jì)算公式
若結(jié)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(guān)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(guān)系為：
P_D=V_F×I_F                      (2)

如果已測(cè)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(jì)算中，當(dāng)選擇了大功率LED后，從數(shù)據(jù)資料中可找到其R_JC值；當(dāng)確定LED的正向電流I_F后，根據(jù)LED的V_F可計(jì)算出PD；若已測(cè)出T_C的溫度，則按（3）式可求出T_J來(lái)。

在測(cè)T_C前，先要做一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)溫度計(jì)測(cè)LED的散熱墊溫度T_C。
在（4）式中，T_C及T_A可以測(cè)出，P_D可以求出，則R_BA值可以計(jì)算出來(lái)。

若計(jì)算出TJ來(lái)，代入（1）式可求出R_JA。

這種通過試驗(yàn)、計(jì)算出TJ方法是基于用某種PCB及一定散熱面積。如果計(jì)算出來(lái)的T_J小于要求（或等于）T_Jmax，則可認(rèn)為選擇的PCB及面積合適；若計(jì)算來(lái)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(shè)計(jì)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(jì)算出來(lái)的T_J≤T_Jmax。這一點(diǎn)在計(jì)算舉例中說明。

各種不同的PCB
目前應(yīng)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(jié)構(gòu)如圖7所示。各層的厚度尺寸如表3所示。

圖7  MCPCB結(jié)構(gòu)圖

其散熱效果與銅層及金屬層厚如度尺寸及絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱性有關(guān)。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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。

采用高導(dǎo)熱性介質(zhì)的MCPCB有最好的散熱性能，但價(jià)格較貴。

圖8  散熱層結(jié)構(gòu)圖

計(jì)算舉例
這里采用了NICHIA公司的測(cè)量T_C的實(shí)例中取部分?jǐn)?shù)據(jù)作為計(jì)算舉例。已知條件如下：
LED：3W白光LED、型號(hào)MCCW022、R_JC=16℃/W。K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)量頭焊在散熱墊上。

PCB試驗(yàn)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(diǎn)溫度計(jì)測(cè)T_C，T_C=71℃。測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度T_A =  25℃.
1.TJ計(jì)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(cè)量位置圖

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

3.RJA計(jì)算
R_JA=R_JC+R_BA

   =16℃/W+23.1℃/W
   =39.1℃/W
如果設(shè)計(jì)的T_Jmax=90℃，則按上述條件計(jì)算出來(lái)的T_J不能滿足設(shè)計(jì)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(yàn)及計(jì)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(shí)，若更換新型同類產(chǎn)品R_JC=9℃/W(I_F=500mA時(shí)V_F=3.65V)，其他條件不變，T_J計(jì)算為：
T_J=9℃/W（500mA×3.65V）+71℃
  =87.4℃

上式計(jì)算中71℃有一些誤差，應(yīng)焊上新的9℃/W的LED重新測(cè)T_C（測(cè)出的值比71℃略?。?。這對(duì)計(jì)算影響不大。采用了9℃/W的LED后不用改變PCB材質(zhì)及面積，其T_J符合設(shè)計(jì)的要求。

PCB背面加散熱片
若計(jì)算出來(lái)的T_J比設(shè)計(jì)要求的T_Jmax大得多，而且在結(jié)構(gòu)上又不允許增加面積時(shí)，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(gè)大功率LED的燈具設(shè)計(jì)中常用的。例如，上述計(jì)算舉例中，在計(jì)算出T_J=103℃的PCB背后粘貼一個(gè)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(cè)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(shí)，則實(shí)際的TJ要比在室溫測(cè)量后計(jì)算的T_J要高，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這個(gè)因素。若測(cè)試時(shí)在恒溫箱中進(jìn)行，其溫度調(diào)到使用時(shí)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(duì)測(cè)T_C有一定影響，燈具的外殼材料、尺寸及有無(wú)散熱孔對(duì)散熱也有影響。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要留有余地。

結(jié)束語(yǔ)
采用一定散熱面積的PCB、裝上LED的試驗(yàn)板，在LED工作狀態(tài)下測(cè)出T_C再計(jì)算的方法來(lái)作散熱設(shè)計(jì)是一種簡(jiǎn)便、有效的方法，可以較好地設(shè)計(jì)出滿足結(jié)溫T_Jmax要求的散熱結(jié)構(gòu)（PCB材質(zhì)及面積）。

這種散熱設(shè)計(jì)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。