灯珠结温和散热面积计算理论Word文件下载.docx
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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,其正反面图形如图5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35µ
m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0.6W/(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)
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)量级,实际应用时一般不会超过30W/(℃*m2)。
热阻的概念公式
对导热和对流换热的公式进行变换:
Fourier导热公式:
Q=(Th-Tc)/[δ/(λA)]
Newton对流换热公式:
Q=αA(Tw-Tair)Q=(Tw-Tair)/(1/αA)
热量传递过程中,温度差是过程的动力,好象电学中的电压,换热
量是被传递的量,好像电学中的电流,因而上式中的分母可以用电学中
的电阻概念来理解成导热过程的阻力,称为热阻(thermalresistance),
单位为℃/W,其物理意义就是传递1W的热量需要多少度温差。
在热设
计中将热阻标记为R或θ。
δ/(λA)是导热热阻,1/αA是对流换热热阻。
器件的资料中一般都会提供器件的Rjc和Rja热阻,Rjc是器件的结到壳的
导热热阻;
Rja是器件的结到壳导热热阻和壳与外界环境的对流换热热阻
之和。
这些热阻参数可以根据实验测试获得,也可以根据详细的器件内
部结构计算得到。
根据这些热阻参数和器件的热耗,就可以计算得到器
件的结温。
对于高功率LED,短时间运行其最高允许结温为125℃,而长期使用结温不允许超过110℃,对于低功率LED,其最高允许结温为80℃。
在散热设计中我们通常考虑几个方面:
导热材料,传导介质,热能位置,吸热界面,热流方向,环境温度等等。
一,LED灯具热分析公式;
Tj≧Ta+(Rthb-a×
P)+(Rthj-sp×
Pled)Rthb-a≦(Tj-Ta-Rthj-sp*Pled)/P
式中:
Tj---------LED理论结点温度,单位:
℃Ta----使用环境温度,单位:
℃
Rthb-a----灯具散热部件总热阻,单位:
℃/W;
Pled-----单颗LED功率,单位:
W;
P----LED总功率,单位:
WRthj-sp----单颗LED热阻.单位:
”程式XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
二,散热计算公式:
RJA=RJC+RCB+RBARJA=(TJ-TA)/PDPD=V
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