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LED灯的散热问题与结构设计

热是什么?
众所周知,LED是高能效光源,而且因为体积小深受设计师的喜爱。但只有当不涉及热管理时,它们才可以被真正地称为“小”。虽然与白炽光源高达2500℃的工作温度相比,LED光源温度要低得多。因此,许多设计师最终意识到散热是个不可忽视的问题。尽管LED仍然会发热,但其温度相对低一些,因此这不会有什么大问题。不过,基于半导体器件LED其工作温度应低于100℃。

一, LED为什么要散热?
根据能量守恒定律,热(能)必须要被传送到附近区域。LED只能工作在25℃环境温度和最高100℃之间,温差范围仅为75℃。因此,需要一个 较大的散热表面和非常有效的热管理。
理论上LED总的电光转换效率约为54%(理论值),在现实只有理论值的1/4;其余的电能将以热能的形式释放,这就是LED为什么要散热的原因; 散热不好,造成温度上升;
① 温度上升----发光效率下降;
② 温度上升----主波长受影响: 蓝光向短波长漂移,其它颜色向长波长漂移(红光)
③ 温度上升----相关色温(CCT):白光的相关色温升高,其它色温将下降;
④ 温度上升----正向电压-----正向电压下降;
⑤ 温度上升----反向电流增大;
⑥ 温度上升----热应力增大;
⑦ 温度上升----元器件的使用寿命减短;
⑧ 温度上升----如是带荧光粉,环氧树脂的led, 温度上升将导致这些材料发生劣化;
上述几点也只是部分温度过高对LED部分性能产生影响,实际受影响的远远不止这些, 严重的将导致LED灯失效;

二, LED散热与结构
LED失效形式之一就是热失效, 随温度的升高,不但LED失效率大大增加,而光衰加剧,寿命减短等,因此其散热设计是不容忽视的一个重要环节;室外灯外壳的防护等级一般都要求在IP65以上,热量不能通过空气对流的方式散发了出去,所以利用良好的导热途径将LED的热量传到灯壳;选择合适导热材料和良好结构设计直接决定了产品的性能;

1.LED灯具热阻的计算;
对灯具结构进行热分析是设计灯具时必须完成的一项工作.由于灯具是在一启后蓫渐升温最后达到热稳定状态,稳定状态时各点的温度是最高,所在在散热计算时一般只考虑稳态时的情况,瞬态热分分布情况并不重要.因此应在灯具外于热稳定状态时计算类具散热的情况。
LED灯具热分析公式:
Tj ≧Ta + ( Rthb-a × P )+( R thj-sp × Pled )
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:W
R thj-sp——单颗LED热阻. 单位:℃/W;
因灯具一般使用环境温度Ta温度是在(-30℃~45℃);受外因素限制一般是不可控的,另外为满足照明效果,LED灯总功率P总,单颗LED功率Pled在设计前应要确定,单颗LED的热阻目前一般为8℃/W。

例:一个16W的玉米灯,用16颗LED(1W/颗)的灯珠做;
Tj = 150℃
Ta= 45℃
Pled-=0.33A*3.3V=1.155W
P=1.155W*16=18.48W
R thj-sp= 8℃/W
Rthb-a≦(Tj- Ta-Rthj-sp * Pled )/P
Rthb-a≦(150℃-45℃-8℃/W*1.155W)/18.48W
Rthb-a≦ 5.182℃/W
从这个例子可得出:散热部件的热阻R(thb-a)≦5.182℃/W时,其灯才可以在45℃的外部环境中使用;

2.LED灯具结构的热分析 
热量在热流路径上遇到的阻力,反映介质或介质间的传热能力的大小,表明了 1W热量所引起的温升大小,单位为℃/W或K/W。用热功耗乘以热阻,即可获得该传热路径上的温升。可以用一个简单的类比来解释热阻的意义,换热量相当于电流,温差相当于电压,则热阻相当于电阻。

热阻Rja:芯片的热源结(junction)到周围冷却空气(ambient)的总热阻,乘以其发热量即获得器件温升。
热阻Rjc:芯片的热源结到封装外壳间的热阻,乘以发热量即获得结与壳的温差。
热阻Rjb:芯片的结与PCB板间的热阻,乘以通过单板导热的散热量即获得结与单板间的温差。
热传递方式有:传导,辐射,对流;对于LED灯具散热来说,热传导方式起主要作用;因此LED灯具的热分析主要考虑热量在灯具内以热传导方式传递时的散热效果;
热阻是指热量传递通道上两个参考点之间的温度差与两点间热量传输率的比值; 单位为 ℃/W.热阻为阻止热量传递能力的综合参考虑,应通过减小热阻以加强热量的传递。

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尽管研究复杂的公式比较麻烦,但是对文章必须点赞。
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