当前位置：文档视界 › 灯珠结温和散热面积计算理论

灯珠结温和散热面积计算理论

一、基础理论

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。 K2系列白光LED的结温TJ与相对出光率的关系。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；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。

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。

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，所示。这是一种最简单的散热结构。热是从温度高处向温度低5其正反面图形如图

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－TA)/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3

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。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*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。

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。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℃

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。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。

1、能够熟练使用热分析软件进行设计与仿真，如：Fluent、Ansys、Desingspace 等；

2、熟练使用zemax、lightools、tracepro等光学设计软件中的一种或几种。

二、计算公式

导热公式

导热过程中传递的热量按照Fourier导热定律计算：

Q=λA(Th-Tc)/δ

其中： A 为与热量传递方向垂直的面积，单位为m2;

Th 与Tc 分别为高温与低温面的温度，

δ为两个面之间的距离，单位为m。

λ为材料的导热系数，单位为W/(m*℃），表示了该材料导热能力的大小。一般说，固体的导热系数大于液体，液体的大于气体。例如常温下纯铜的导热系数高达400W/(m*℃），纯铝的导热系数为

236W/(m*℃），水的导热系数为0.6 W/(m*℃），而空气仅

0.025W/(m*℃）左右。铝的导热系数高且密度低，所以散热器基本都采用铝合金加工，但在一些大功率芯片散热中，为了提升散热性能，常采用铝散热器嵌铜块或者铜散热器。

对流换热公式

对流换热的热量按照牛顿冷却定律计算：

Q=hA(Tw -Tair )

其中：

A 为与热量传递方向垂直的面积，单位为m2 ;

Th 与Tc 分别为固体壁面与流体的温度，h是对流换热系数，自然对流时换热系数在1～10W/(℃*m2)量级，实际应用时一般不会超过3～5W/(℃*m2)；强制对流时换热系数在10～100W/(℃*m2)