當(dāng)前位置:首頁 > 電源 > 數(shù)字電源
[導(dǎo)讀]LED固體光源,與傳統(tǒng)光源相比,具有效率高、光色純、能耗低、壽命長,可靠耐用、應(yīng)用靈活、無污染等優(yōu)點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于道路照明、家用照明、汽車燈照明、景觀照明等領(lǐng)域【1】。然而良好的散熱特性是LED優(yōu)異性能和

LED固體光源,與傳統(tǒng)光源相比,具有效率高、光色純、能耗低、壽命長,可靠耐用、應(yīng)用靈活、無污染等優(yōu)點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于道路照明、家用照明、汽車燈照明、景觀照明等領(lǐng)域【1】。然而良好的散熱特性是LED優(yōu)異性能和穩(wěn)定可靠的根本保證。溫度對(duì)LED性能產(chǎn)生重要的影響,包括色溫改變、波長紅移、效率下降、正向壓降等等,因此,熱管理對(duì)LED的性能、光轉(zhuǎn)換效率以及應(yīng)用產(chǎn)生重要的影響【2】。本文主要研究新型垂直散熱模式LED在光電熱特性方面的潛在優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)水平散熱模式LED相比,垂直散熱結(jié)構(gòu)LED具有亮度高、散熱快、光衰小、成本低、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn),是目前中小功率LED中應(yīng)用照明光源的發(fā)展趨勢。

一、垂直與水平散熱模式結(jié)構(gòu)對(duì)比

在本文兩種不同散熱模式LED特性分析中,新型垂直散熱模式LED選用目前市場及應(yīng)用熱門的3014LED為例,傳統(tǒng)水平散熱模式則選用常用的3528LED為例,以做對(duì)比分析。

圖1和圖2分別為垂直散熱與水平散熱LED的結(jié)構(gòu)示意圖,圖3所示為兩種LED的散熱方式示意圖。


圖1.垂直散熱模式結(jié)構(gòu)示意圖


圖2.水平散熱模式結(jié)構(gòu)示意圖


圖3.水平與垂直散熱方式示意圖

從圖1、圖2的結(jié)構(gòu)圖中可以看出,3528LED在結(jié)構(gòu)是通過焊接兩端電極的焊腳進(jìn)行散熱,散熱方式為水平散熱。3014LED在結(jié)構(gòu)上是通過底板散熱通道進(jìn)行散熱,散熱方式主要為垂直散熱。圖3更清楚的表達(dá)了兩種不同結(jié)構(gòu)LED的散熱模式。

二、LED燈珠的熱學(xué)特性模擬

為了更好的研究對(duì)比分析不同散熱結(jié)構(gòu)LED的散熱情況,我們使用了ANASYS有限元分析模擬軟件進(jìn)行建模及熱學(xué)模擬分析。

為了能更方便的計(jì)算LED的熱阻,首先設(shè)置底板溫度參數(shù)為60℃,芯片功率為0.06W,固晶膠KER-3200-TI厚度為0.01mm,驅(qū)動(dòng)電流為20mA進(jìn)行熱分析,水平散熱結(jié)構(gòu)LED及垂直散熱結(jié)構(gòu)LED的熱分布分別如圖4、圖5所示。


圖4.水平散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖


圖5.垂直散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖


表1.散熱模擬溫度數(shù)據(jù)

由圖4、圖5及表1可以看出,當(dāng)同時(shí)控制基底溫度為60℃和LED工作電流為20mA時(shí),雖然垂直散熱模式LED的芯片溫度要略高,這是因?yàn)樗x用的3014LED模型的體積及散熱面積均遠(yuǎn)小于3528 LED,熱量過于集中所造成。但垂直散熱模式的溫差較小,其熱阻117 mm?℃/W也遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)水平散熱156 mm?℃/W,均表明垂直散熱模式的散熱效率優(yōu)于水平散熱模式。

為了更接近散熱的客觀事實(shí)情況,對(duì)LED熱特性進(jìn)行第二次模擬分析。此次模擬在模型中加入相同尺寸的鋁板,不限定其溫度,只設(shè)定驅(qū)動(dòng)電流為20mA,與現(xiàn)實(shí)使用情況相符。水平散熱LED及垂直散熱LED的熱分布分別如圖6、圖7所示。


圖6.水平散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖



圖7.垂直散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖


表2.LED散熱模擬溫度數(shù)據(jù)

由圖6、圖7及表2可看出,垂直散熱模式LED的芯片溫度、負(fù)極溫度、溫差、熱阻等各項(xiàng)參數(shù)均遠(yuǎn)小于水平散熱燈珠,這表明垂直散熱模式能把積聚在內(nèi)部芯片的熱量及時(shí)散去。此模擬結(jié)果表明了在不設(shè)定任何溫度限制即更接近于客觀事實(shí)的情況下垂直散熱模式具有更高散熱效率的優(yōu)勢。

因一般3014LED在使用過程中一般多用25mA或者30mA電流驅(qū)動(dòng),所以對(duì)25mA 驅(qū)動(dòng)的3014LED進(jìn)行了熱模擬分析。模擬條件如下:功率設(shè)為0.072W,固晶膠厚度設(shè)為0.01mm,正向電流IF設(shè)為25mA,相同尺寸鋁板,不限定溫度。此種情況的熱分布分別如圖8所示。表3為此次熱模擬分析的結(jié)果。與垂直散熱LED在20mA驅(qū)動(dòng)時(shí)散熱情況相比,其芯片和負(fù)極的溫度大幅度降低,表明垂直散熱LED在大電流驅(qū)動(dòng)時(shí)凸顯出更優(yōu)的散熱效果。


圖8.垂直散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖


表3.垂直散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬結(jié)果(25mA)

對(duì)比表2和表3即如表4所示,通過分析,3014LED即使在25mA驅(qū)動(dòng)下,其芯片、負(fù)極溫度、溫差與20mA驅(qū)動(dòng)的3528LED相當(dāng),而其熱阻130 mm?℃/W遠(yuǎn)低于20mA驅(qū)動(dòng)的3528LED。結(jié)果表明即使大電流驅(qū)動(dòng)垂直模式LED,其散熱效果依然優(yōu)于小電流驅(qū)動(dòng)的水平散熱模式LED。此外,良好的散熱優(yōu)勢使得垂直模式LED在大電流驅(qū)動(dòng)下獲得更高的光通量。在照明應(yīng)用中小功率LED加大電流提高光通量從而可降低成本。垂直模式LED散熱效率高、光通量高、成本低的優(yōu)勢是成為照明應(yīng)用光源趨勢的主要因素。[!--empirenews.page--]


表4.3014LED(25mA)與3528LED(20mA)的熱模擬對(duì)比

三、封裝試驗(yàn)測試對(duì)比

(一)、兩種不同散熱結(jié)構(gòu)LED的封裝

為了保證可對(duì)比性,采用相同的物料(相同的芯片、固晶膠、金線、硅膠、熒光粉,)分別對(duì)3528 LED及3014LED進(jìn)行封裝,制作色溫、色坐標(biāo)相近的LED燈珠,以便更好的進(jìn)行亮度、光衰及色坐標(biāo)等光學(xué)特性的比較分析。

(二)、初始參數(shù)測試對(duì)比

隨機(jī)選取3014LED和3528LED各20個(gè),其光通量和色溫如圖9、圖10所示,橫坐標(biāo)表示LED個(gè)數(shù),縱坐標(biāo)表示光通量和相關(guān)色溫CCT。


圖9.光通量比較圖


圖10.色溫比較圖

初始參數(shù)測試結(jié)果表明,在20mA電流驅(qū)動(dòng)下,3014LED的光通量比3528高,且其CCT集中度比3528LED好。另3014一般在30mA電流下驅(qū)動(dòng)使用,其光通量達(dá)到10~11Lm;如上節(jié)熱模擬顯示,3528LED散熱效果遠(yuǎn)不如3014LED,故其在大電流驅(qū)動(dòng)下,光通量必定會(huì)嚴(yán)重受到過高熱量的影響。因此相比水平散熱LED,垂直散熱LED具有不可比擬的優(yōu)勢。

(三)、光衰試驗(yàn)對(duì)比分析

隨機(jī)抽取3528LED和3014LED各30pcs,按驅(qū)動(dòng)電流20mA、25mA、30mA各分為三組進(jìn)行1008H的光衰實(shí)驗(yàn),以比較分析兩種不同散熱模式LED的光衰和色坐標(biāo)漂移程度,從而研究散熱對(duì)其光色特性的影響。


圖11.LED光衰圖

從光衰圖曲線可以明顯看出,在1008H的老化過程中,水平散熱LED在20mA驅(qū)動(dòng)時(shí),其亮度并未隨時(shí)間衰減;但是在25mA 及30mA 驅(qū)動(dòng)時(shí),特別是30 mA,其亮度有明顯的衰減。這表明過高的熱量對(duì)亮度產(chǎn)生了很大的影響。相比水平散熱LED,垂直散熱LED的優(yōu)勢及穩(wěn)定性顯而易見。不管在大電流或小電流驅(qū)動(dòng),垂直散熱LED經(jīng)過1008H老化,亮度反而增高,并未有衰減趨勢。

此外,水平散熱LED的光衰隨驅(qū)動(dòng)電流加大而升高加快,這表明隨著加大驅(qū)動(dòng)電流,芯片產(chǎn)生更多的熱量,水平散熱LED未能把過多的熱量散去,從而使亮度受到的更大的影響。相反,垂直散熱LED的亮度隨驅(qū)動(dòng)電流的加大而升高更多,電流越大,亮度增加的越多,光衰越慢。這表明電流越大,雖然產(chǎn)熱更多,但垂直散熱LED的散熱優(yōu)勢更加彰顯,從而降低了芯片在加大電流帶來更高熱量的影響。光衰圖明顯的顯示了兩種不同散熱模式的散熱效果的優(yōu)劣。

亮度衰減主要原因?yàn)樾酒匣?,而過高的熱量又是芯片老化的首要原因。與水平散熱LED相比,垂直散熱LED能將芯片產(chǎn)生的熱量迅速散去,有效地將芯片性能衰減降至最低,從而保證了亮度的可靠性。


圖12.CIE-x漂移圖


圖13.CIE-y漂移圖

圖12和圖13分別表示了兩種散熱模式LED的色坐標(biāo)CIE-x、CIE-y平均值隨時(shí)間的變化。整體來看,垂直散熱LED的色坐標(biāo)明顯較水平散熱LED穩(wěn)定,漂移較小。在30mA驅(qū)動(dòng)下,垂直散熱模式LED色坐標(biāo)CIE-x、CIE-y的平均值分別漂移-0.0027、-0.0033,而水平散熱模式LED色坐標(biāo)CIE-x、CIE-y的平均值分別漂移-0.0210、-0.0246,兩者差距非常明顯。色坐標(biāo)漂移主要因素是熒光粉性能老化,而過高的熱量又是導(dǎo)致熒光粉性能老化的首要原因。從而可以看出,垂直散熱模式LED可以將芯片產(chǎn)生的熱能迅速帶出,有效使得熒光粉的性能衰減至最低,從而保證LED燈珠的光色性能穩(wěn)定可靠。

結(jié)論

本文從結(jié)構(gòu)、光電參數(shù)、熱學(xué)特性、光衰及成本等方面對(duì)垂直散熱和水平散熱LED進(jìn)行了研究分析對(duì)比,結(jié)果表明垂直散熱模式LED的光電熱特性均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于水平散熱模式LED。垂直散熱模式優(yōu)異的散熱特性,能將芯片產(chǎn)生的熱量及時(shí)導(dǎo)出,從而將芯片和熒光粉的性能衰減至最低,使得LED亮度高、散熱快、光衰小及光色漂移小,在保證燈珠的性能穩(wěn)定的同時(shí),也提高了照明燈具整體光色一致及性能可靠穩(wěn)定性,從而成為中小功率LED照明應(yīng)用光源的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn):

[1] dr EICHHORN K.LEDs in automotive lighting[J].SPIE,2006,6134:1—6.

[2] Arik M,BecKer C,Weaver S,et al.Thermal management of LEDs:package to system[C].Proc.of SPIE,2004,5187:64-75.

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關(guān)鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動(dòng) BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對(duì)日本游戲市場的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對(duì)環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競爭力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競爭優(yōu)勢...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺(tái)與中國電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會(huì)上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會(huì)上,軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡稱"軟通動(dòng)力")與長三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉