LED结温计算

LED的结温计算LED的PN结结温主要影响LED光通量和寿命，本文用电压法对直插LED，食人鱼LED和大功率LED的结温和热阻进行了实验研究。在测量LED结温的同时，研究它的光谱变化，色光LED峰值波长的偏移与其结温存在线性关系，白光LED的总能量和蓝光能量比率(W/B)的变化与结温也存在线性的关系。LED存在发热现象，随着LED的工作时间和工作电流的增加，其发光强度和光通量会下降，寿命降低，对白光还会导致激发效率的下降，这主要是由于LED结温升高导致的。对于白光LED，随着结温的增加，LED发出黄光和蓝光的强度以不同的速率下降,白光LED的总能量和蓝光能量比率(W/B)与结温存在关系。首先对LED的结温进行研究，由此可得到LED的热阻。然后在测量结温的同时，测量LED光谱变化，可以得出LED的PN结结温与色光LED峰值波长或白光LED的白色/蓝色能量比(W/B)之间存在一定的关系。因此可以采用非接触式方法来进行结温的测量。测量原理LED的结温是影响发光二极管各项性能指标的一个重要因素，测量LED结温的方法可用通过测量在不同环境温度下LED的正向电压的大小来得到。实验原理如图1所示，被测LED置于积分球内，积分球放在恒温箱的中间，积分球内的光经石英光纤导入SSP3112快速光谱分析仪，可以快速测取LED的峰值波长或W/B比率。将热电偶与LED管脚紧密接触，用测温仪读取不同加热电流和不同环境温度下的管脚温度。恒温箱的温度范围为0℃-150℃，精度1℃。PC机通过高速开关控制对LED的加热电流(IF)和参考电流(IFR)，并测量IF和IFR下的VF和VFR。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(TJTcTA。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。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=16℃/W(500mA×3.97V)+71℃=103℃2.RCA计算RCA=(TC-TA)/PD=(71℃-25℃)/1.99W=23.1℃/W3.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。LED温度问题LED光源不能超过80℃，随着LED温度的升高，其光输出和寿命则相应降低。表2大功率白光LED的结温T，在亮度衰减70%时与寿命的关系T，(℃)Life(小时)T，(℃)Life(小时)25234，0008529，50030191，0009025，70035157，0009522，30040129，00010019，50045107，00010517，1005090，00011015，1005575，00011513，3006064，00012011，7006554，00012510，5007046，0001309，3007539，0001407，5008034，0001506，000集成式LED光源散热设计：(1)光源的散热结构：大功率的LED模块，采用特殊的绝缘陶瓷基板代替传统的PCB板，将LED产生的热量能够迅速通过陶瓷基板传导至散热板，并通过散热板和灯具散热(见下图)。根据傅立叶导热公式立叶导热公式：以25颗LED芯片、约30W功率的集成式光源为例，LED芯片面积约1mm2，因陶瓷基板非常薄，则芯片与陶瓷基板的导热密度为q1=Q/A=30/5×5×10-6=1.2×106W/㎡接触处的导热膏的导热率为3.0W/(m.k),平均厚度为δ=0.03mm,则陶瓷基板与芯片间的温度差为△T1=(q1×δ)/λ=(1.2×106×0.03×10-3)/3=12℃陶瓷基板尺寸为直径30mm的圆，则导热铝板与陶瓷基板的导热密度为q2=30/(π15×15×10-6)=(2/15π)×106W/㎡接触处的导热膏的导热率为3.0W/(m.k),平均厚度为δ=0.03mm,则陶瓷基板与导热铝板间的温度差为△T2=(q2×δ)/λ=(2/15π)×106×0.03×10-3/3=4.2℃由此可见，导热铝板与LED结温相差16.2℃，考虑制造误差，按导热铝板比LED结温低18-20℃计算，所以，要使光源寿命(光衰到70%)在30000小时，LED导热板的温度应低于60℃。灯具的散热结构:超大功率LED散热板直接与灯具外壳接合，并在灯具的外壳上增加散热筋，以增加散热面积，使LED的工作温度满足其要求，以保证寿命和光衰的要求。下表为GGE802-SL2X30WLED光源装入灯具内实测的温度值时间输入电压环境温度导热铝板底部温度灯体内空间温度灯体外表面(散热片底部)20分后220V/50Hz28℃56℃33℃45℃1时后220V/50Hz29℃62℃38℃50℃3时后220V/50Hz30℃65℃42℃52℃5时后220V/50Hz32℃66℃43℃53℃7时后220V/50Hz30℃66℃42℃53℃8时后220V/50Hz29℃65℃41℃52℃由此可见，LED路灯在环境温度为30℃左右时，导热铝板的温度稳定在65-66℃，此时LED结温应在85℃左右，根据表2可查出，此路灯LED光源的理论的使用寿命(光衰到70%)为29500小时。集成式LED路灯配光问题LED为180度定向发光，配光如下图：传统光源有60%以上的光线要通过二次或二次以上反射才能达到配光要求，而LED则只有30%的光线通过二次反射，LED灯具效率要高于传统光源配光问题通过将精确设计的塑料透镜直接封装在LED芯片上得以很好的解决，并且减少原来在LED上加透镜的加工误差(误差值仅为0.1mm)。其配光曲线如下：其次，灯具的散热问题通过直接散热结构和对流散热结构解决。(1)直接散热结构：将LED的铜柱与灯体外壳之间通过导热片直接贴在一起，实现了LED的铜柱与灯体外壳之间通过导热片直接散热，因此从LED芯片到空气的传热过程只通过三层阶段，散热效果好。经测试用相同的LED、相同的材质，这种直接散热结构下的LED芯片比传统的散热结构的LED芯片低了3-5%(结构如下图)。1、灯体(散热器)3、LED散热铜柱(封装件)4、LED芯片5、透镜注：铜柱与芯片间涂有耐高温、高导热率的硅胶根据上面的傅立叶公式，因LED光源为分散式点阵排列，30颗LED的分布面积与1颗LED相应成倍增加，以单颗LED芯片、约1W光源计算，则温升与30颗相同，LED芯片面积约1mm2，导热铜柱尺寸为φ4mm，则芯片与铜柱的导热密度为q1=1/1×1×10-6=106W/㎡接触处的导热膏的导热率为3.0W/(m.k),平均厚度为δ=0.03mm,则导热铜柱与芯片间的温度差为△T1=(q1×δ)/λ=(106×0.03×10-3)/3=10℃考虑制造误差，LED底部导热铜柱应比LED结温低13-15℃，所以，要使光源寿命(光衰到70%)在30000小时，根据表2可知，LED导热铜柱的温度应低于65℃。导热铜柱尺寸为φ4mm，则灯体(散热器)与导热铜柱的导热密度为：q2=1/π2×2×10-6=(0.25/π)×106W/㎡接触处的导热片的导热率为3.0W/(m.k),平均厚度为δ=0.3mm,则灯体(散热器)与导热铜柱间的温度差为△T2=(q2×δ)/λ=((0.25/π)×106×0.3×10-3)/3=7.96℃由此可见，灯体(散热器)与LED结温相差17.96℃，考虑制造误差，按灯体(散热器)比LED结温低20-22℃计算。下表为LED光源装入灯具内实测的温度值，测试环境为封闭的房间，无自然风，其导热完全靠灯体的传导和对流进行。时间输入电压环境温度光源铜柱底部温度灯体内空间温度灯体内底面导热片上面灯体外表面(散热片底部)20分后220V/50Hz28℃49.2℃33℃37.5℃35℃1时后220V/50Hz29℃55℃38℃48.2℃45℃4时后220V/50Hz32℃60.8℃42℃52℃49.8℃8时后220V/50Hz29℃58.7℃43℃49.6℃46.5℃22时后220V/50Hz30℃57℃42℃48.8℃46.6℃24时后220V/50Hz31℃58.5℃41℃50.6℃48.1℃由此可见，灯体(散热器)底部与铜柱的温差为8-12℃，稳定在8℃左右，与理论值7.96℃相符。LED路灯在环境温度为30℃左右时，导热铜柱的温度稳定在60℃左右，此时LED结温应在75℃左右，据表2可知，路灯LED光源的理论使用寿命(光衰到70%时)为39000小时，而实际装在灯杆上使用时，环境温度大部分时间会低于30℃，自然风也是必然存在，那么路灯LED光源的实际使用寿命(光衰到70%时)会超过39000小时。从7月20到10月22共计92天，1104小时，平均气温大约30℃，照度衰减0.3Lux，衰减比例0.3/9.5=3.15%，根据I