大功率LED的散热设计

      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

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      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)

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      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

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      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。