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大功率LED的散热设计(图)
近年来,大功率LED发展较快,在结构和性能上都有较大的改进,产量上升、价格下降;还开发出单颗功率为100W的超大功率白光LED.与前几年相比较,在发光效率上有长足的进步.例如,Edison公司前几年的20W白光LED,其光通量为700lm,发光效率为35lm/W.2007年开发的100W白光LED,其光通量为6000lm,发光效率为60lm/W.又例如,Lumiled公司最近开发的K2白光LED,与其Ⅰ、Ⅲ系列同类产品比较如表1所示.从表中可以看出:K2白光LED在光通量、最大结温、热阻及外廓尺寸上都有较大的改进.Cree公司新推出的XLamp XR~E冷白光LED,其最高亮度挡QS在350mA时光通量可达107~114lm.这些性能良好的大功率LED给开发LED白光照明灯具创造了条件.
前几年,各种白光LED照明灯具主要是采用小功率Φ5白光LED来做的.如1~5W的灯泡、15~20W的管灯及40~60W的路灯、投射灯等.这些灯具使用了几十到几百个Φ5白光LED,生产工艺复杂、可靠性差、故障率高、外壳尺寸大,并且亮度不足.为改进上述缺点,这几年逐步采用大功率白光LED来替代Φ5白光LED来设计新型灯具.例如,用18个2W的白光LED做成的街灯,若采用Φ5白光LED则要几百个.另外,用一个1.25W的K2系列白光LED,可做成光通量为65lm的强光手电筒,照射距离可达几十米.若采用Φ5白光LED来做则是不可能的.
图1 结温TJ与相对出光率关系图
用大功率LED做的灯具其价格比白炽灯、日光灯、节能灯要高得多,但它的节能效果及寿命比其他灯具也高的多.如果在路灯系统及候机大厅、大型百货商场或超市、高级宾馆大堂等用电大户的公共场所全部采用LED灯具,其一次性投资较高,但长期的节电效果及经济性都是值得期待的.
目前主要采用1~3W大功率白光LED作照明灯,因为其发光效率高、价格低、应用灵活.
大功率LED的散热问题
LED是个光电器件,其工作过程中只有15%~25%的电能转换成光能,其余的电能几乎都转换成热能,使LED的温度升高.在大功率LED中,散热是个大问题.例如,1个10W白光LED若其光电转换效率为20%,则有8W的电能转换成热能,若不加散热措施,则大功率LED的器芯温度会急速上升,当其结温(TJ)上升超过最大允许温度时(一般是150℃),大功率LED会因过热而损坏.因此在大功率LED灯具设计中,最主要的设计工作就是散热设计.
另外,一般功率器件(如电源IC)的散热计算中,只要结温小于最大允许结温温度(一般是125℃)就可以了.但在大功率LED散热设计中,其结温TJ要求比125℃低得多.其原因是TJ对LED的出光率及寿命有较大影响:TJ越高会使LED的出光率越低,寿命越短.
图2 K2系列的内部结构
图1是K2系列白光LED的结温TJ与相对出光率的关系曲线.在TJ=25℃时,相对出光率为1;TJ=70℃时相对出光率降为0.9;TJ=115℃时,则降到0.8了.
表2是Edison公司给出的大功率白光LED的结温TJ在亮度衰减70%时与寿命的关系(不同LED生产厂家的寿命并不相同,仅做参考).
图3 NCCWO22的内部结构
在表2中可看出:TJ=50℃时,寿命为90000小时;TJ=80℃时,寿命降到34000小时;TJ=115℃时,其寿命只有13300小时了.TJ在散热设计中要提出最大允许结温值TJmax,实际的结温值TJ应小于或等于要求的TJmax,即TJ≤TJmax.
图4 LED与PCB焊接图
大功率LED的散热路径.
大功率LED在结构设计上是十分重视散热的.图2是Lumiled公司K2系列的内部结构、图3是NICHIA公司NCCW022的内部结构.从这两图可以看出:在管芯下面有一个尺寸较大的金属散热垫,它能使管芯的热量通过散热垫传到外面去.
图5 双层敷铜层散热结构
大功率LED是焊在印制板(PCB)上的,如图4所示.散热垫的底面与PCB的敷铜面焊在一起,以较大的敷铜层作散热面.为提高散热效率,采用双层敷铜层的PCB,其正反面图形如图5所示.这是一种最简单的散热结构.
图6 散热路径图
热是从温度高处向温度低处散热.大功率LED主要的散热路径是:管芯→散热垫→印制板敷铜层→印制板→环境空气.若LED的结温为TJ,环境空气的温度为TA,散热垫底部的温度为Tc(TJ>Tc>TA),散热路径如图6所示.
在热的传导过程中,各种材料的导热性能不同,即有不同的热阻.若管芯传导到散热垫底面的热阻为RJC(LED的热阻)、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气的热阻为RBA,则从管芯的结温TJ传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为:
RJA=RJC+RCB+RBA
各热阻的单位是℃/W.
可以这样理解:热阻越小,其导热性能越好,即散热性能越好.
如果LED的散热垫与PCB的敷铜层采用回流焊焊在一起,则RCB=0,则上式可写成:
RJA=RJC+RBA
散热的计算公式
若结温为TJ、环境温度为TA、LED的功耗为PD,则RJA与TJ、TA及PD的关系为:
RJA=(TJ-TA)/PD (1)
式中PD的单位是W.PD与LED的正向压降VF及LED的正向电流IF的关系为:
PD=VF×IF (2)
如果已测出LED散热垫的温度TC,则(1)式可写成:
RJA=(TJ-TC)/PD+(TC-TA)/PD
则RJC=(TJ-TC)/PD (3)
RBA=(TC-TC)/PD (4)
在散热计算中,当选择了大功率LED后,从数据资料中可找到其RJC值;当确定LED的正向电流IF后,根据LED的VF可计算出PD;若已测出TC的温度,则按(3)式可求出TJ来.
在测TC前,先要做一个实验板(选择某种PCB、确定一定的面积)、焊上LED、输入IF电流,等稳定后,用K型热电偶点温度计测LED的散热垫温度TC.
在(4)式中,TC及TA可以测出,PD可以求出,则RBA值可以计算出来.
若计算出TJ来,代入(1)式可求出RJA.
这种通过试验、计算出TJ方法是基于用某种PCB及一定散热面积.如果计算出来的TJ小于要求(或等于)TJmax,则可认为选择的PCB及面积合适;若计算来的TJ大于要求的TJmax,则要更换散热性能更好的PCB,或者增加PCB的散热面积.
另外,若选择的LED的RJC值太大,在设计上也可以更换性能上更好并且RJC值更小的大功率LED,使满足计算出来的TJ≤TJmax.这一点在计算举例中说明.
各种不同的PCB
目前应用与大功率LED作散热的PCB有三种:普通双面敷铜板(FR4)、铝合金基敷铜板(MCPCB)、柔性薄膜PCB用胶粘在铝合金板上的PCB.
MCPCB的结构如图7所示.各层的厚度尺寸如表3所示.
图7 MCPCB结构图
其散热效果与铜层及金属层厚如度尺寸及绝缘介质的导热性有关.一般采用35μm铜层及1.5mm铝合金的MCPCB.
柔性PCB粘在铝合金板上的结构如图8所示.一般采用的各层厚度尺寸如表4所示.1~3W星状LED采用此结构.
采用高导热性介质的MCPCB有最好的散热性能,但价格较贵.
图8 散热层结构图
计算举例
这里采用了NICHIA公司的测量TC的实例中取部分数据作为计算举例.已知条件如下:
LED:3W白光LED、型号MCCW022、RJC=16℃/W.K型热电偶点温度计测量头焊在散热垫上.
PCB试验板:双层敷铜板(40×40mm)、t=1.6mm、焊接面铜层面积1180mm2背面铜层面积1600mm2.
LED工作状态:IF=500mA、VF = 3.97V.
按图9用K型热电偶点温度计测TC,TC=71℃.测试时环境温度TA = 25℃.
1.TJ计算
TJ=RJC×PD+TC=RJC(IF×VF)+TC
TJ=16℃/W(500mA×3.97V)
+71℃=103℃
图9 TC测量位置图
2.RBA计算
RJA=(TC-TA)/PD
=(71℃-25℃)/1.99W
=23.1℃/W
3.RJA计算
RJA=RJC+RBA
=16℃/W+23.1℃/W
=39.1℃/W
如果设计的TJmax=90℃,则按上述条件计算出来的TJ不能满足设计要求,需要改换散热更好的PCB或增大散热面积,并再一次试验及计算,直到满足TJ≤TJmax为止.
另外一种方法是,在采用的LED的RJC值太大时,若更换新型同类产品RJC=9℃/W(IF=500mA时VF=3.65V),其他条件不变,TJ计算为:
TJ=9℃/W(500mA×3.65V)+71℃
=87.4℃
上式计算中71℃有一些误差,应焊上新的9℃/W的LED重新测TC(测出的值比71℃略小).这对计算影响不大.采用了9℃/W的LED后不用改变PCB材质及面积,其TJ符合设计的要求.
PCB背面加散热片
若计算出来的TJ比设计要求的TJmax大得多,而且在结构上又不允许增加面积时,可考虑将PCB背面粘在“∪”形的铝型材上(或铝板冲压件上),或粘在散热片上,如图10所示.这两种方法是在多个大功率LED的灯具设计中常用的.例如,上述计算举例中,在计算出TJ=103℃的PCB背后粘贴一个10℃/W的散热片,其TJ降到80℃左右.
图10 “∪”形铝型材
这里要说明的是,上述TC是在室温条件下测得的(室温一般15~30℃).若LED灯使用的环境温度TA大于室温时,则实际的TJ要比在室温测量后计算的TJ要高,所以在设计时要考虑这个因素.若测试时在恒温箱中进行,其温度调到使用时最高环境温度,为最佳.
另外,PCB是水平安装还是垂直安装,其散热条件不同,对测TC有一定影响,灯具的外壳材料、尺寸及有无散热孔对散热也有影响.因此,在设计时要留有余地.
结束语
采用一定散热面积的PCB、装上LED的试验板,在LED工作状态下测出TC再计算的方法来作散热设计是一种简便、有效的方法,可以较好地设计出满足结温TJmax要求的散热结构(PCB材质及面积).
这种散热设计方法除适用于大功率白光LED的照明灯具外,也适用于其他发光颜色的大功率LED灯具,如警示灯、装饰灯等.
