燈珠結(jié)溫和散熱面積計(jì)算理論一、基礎(chǔ)理論大功率LED的散熱問(wèn)題：LED是個(gè)光電器件，其工作過(guò)程中只有15%～25%的電能轉(zhuǎn)換成光能，其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱是個(gè)大問(wèn)題。例如，1個(gè)10W白光LED若其光電轉(zhuǎn)換效率為20%，則有8W的電能轉(zhuǎn)換成熱能，若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會(huì)急速上升，當(dāng)其結(jié)溫（TJ）上升超過(guò)最大允許溫度時(shí)（一般是150℃），大功率LED會(huì)因過(guò)熱而損壞。因此在大功率LED燈具設(shè)計(jì)中，最主要的設(shè)計(jì)工作就是散熱設(shè)計(jì)。另外，一般功率器件（如電源IC）的散熱計(jì)算中，只要結(jié)溫小于最大允許結(jié)溫溫度（一般是125℃）就可以了。但在大功率LED散熱設(shè)計(jì)中，其結(jié)溫TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ對(duì)LED的出光率及壽命有較大影響：TJ越高會(huì)使LED的出光率越低，壽命越短。K2系列白光LED的結(jié)溫TJ與相對(duì)出光率的關(guān)系。在TJ=25℃時(shí)，相對(duì)出光率為1；TJ=70℃時(shí)相對(duì)出光率降為0.9；TJ=115℃時(shí)，則降到0.8了；TJ=50℃時(shí)，壽命為90000小時(shí)；TJ=80℃時(shí)，壽命降到34000小時(shí)；TJ=115℃時(shí)，其壽命只有13300小時(shí)了。TJ在散熱設(shè)計(jì)中要提出最大允許結(jié)溫值TJmax,實(shí)際的結(jié)溫值TJ應(yīng)小于或等于要求的TJmax,即TJ≤TJmax。大功率LED的散熱路徑.大功率LED在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是十分重視散熱的。圖2是Lumiled公司K2系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、圖3是NICHIA公司NCCW022的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從這兩圖可以看出：在管芯下面有一個(gè)尺寸較大的金屬散熱墊，它能使管芯的熱量通過(guò)散熱墊傳到外面去。大功率LED是焊在印制板（PCB）上的，如圖4所示。散熱墊的底面與PCB的敷銅面焊在一起，以較大的敷銅層作散熱面。為提高散熱效率，采用雙層敷銅層的PCB，其正反面圖形如圖5所示。這是一種最簡(jiǎn)單的散熱結(jié)構(gòu)。熱是從溫度高處向溫度低處散熱。大功率LED主要的散熱路徑是：管芯→散熱墊→印制板敷銅層→印制板→環(huán)境空氣。若LED的結(jié)溫為T(mén)J，環(huán)境空氣的溫度為T(mén)A,散熱墊底部的溫度為T(mén)c（TJ＞Tc＞TA），散熱路徑如圖6所示。在熱的傳導(dǎo)過(guò)程中，各種材料的導(dǎo)熱性能不同，即有不同的熱阻。若管芯傳導(dǎo)到散熱墊底面的熱阻為RJC（LED的熱阻）、散熱墊傳導(dǎo)到PCB面層敷銅層的熱阻為RCB、PCB傳導(dǎo)到環(huán)境空氣的熱阻為RBA,則從管芯的結(jié)溫TJ傳導(dǎo)到空氣TA的總熱阻RJA與各熱阻關(guān)系為：RJA=RJC+RCB+RBA。各熱阻的單位是℃/W。可以這樣理解：熱阻越小，其導(dǎo)熱性能越好，即散熱性能越好。如果LED的散熱墊與PCB的敷銅層采用回流焊焊在一起，則RCB=0，則上式可寫(xiě)成：RJA=RJC+RBA散熱的計(jì)算公式若結(jié)溫為T(mén)J、環(huán)境溫度為T(mén)A、LED的功耗為PD,則RJA與TJ、TA及PD的關(guān)系為：RJA=（TJ－TA）/PD(1)式中PD的單位是W。PD與LED的正向壓降VF及LED的正向電流IF的關(guān)系為：PD=VF×IF(2)如果已測(cè)出LED散熱墊的溫度TC，則(1)式可寫(xiě)成：RJA=(TJ－TC)/PD+(TC－TA)/PD則RJC=(TJ－TC)/PD(3)RBA=(TC－TA)/PD(4)在散熱計(jì)算中，當(dāng)選擇了大功率LED后，從數(shù)據(jù)資料中可找到其RJC值；當(dāng)確定LED的正向電流IF后，根據(jù)LED的VF可計(jì)算出PD；若已測(cè)出TC的溫度，則按（3）式可求出TJ來(lái)。在測(cè)TC前，先要做一個(gè)實(shí)驗(yàn)板（選擇某種PCB、確定一定的面積）、焊上LED、輸入IF電流，等穩(wěn)定后，用K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)LED的散熱墊溫度TC。在（4）式中，TC及TA可以測(cè)出，PD可以求出，則RBA值可以計(jì)算出來(lái)。若計(jì)算出TJ來(lái)，代入（1）式可求出RJA。這種通過(guò)試驗(yàn)、計(jì)算出TJ方法是基于用某種PCB及一定散熱面積。如果計(jì)算出來(lái)的TJ小于要求（或等于）TJmax，則可認(rèn)為選擇的PCB及面積合適；若計(jì)算來(lái)的TJ大于要求的TJmax，則要更換散熱Q=λA(Th-Tc)/δ其中：A為與熱量傳遞方向垂直的面積，單位為m2;Th與Tc分別為高溫與低溫面的溫度，δ為兩個(gè)面之間的距離，單位為m。λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m*℃），表示了該材料導(dǎo)熱能力的大小。一般說(shuō)，固體的導(dǎo)熱系數(shù)大于液體，液體的大于氣體。例如常溫下純銅的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)400W/(m*℃），純鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為236W/(m*℃），水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.6W/(m*℃），而空氣僅0.025W/(m*℃）左右。鋁的導(dǎo)熱系數(shù)高且密度低，所以散熱器基本都采用鋁合金加工，但在一些大功率芯片散熱中，為了提升散熱性能，常采用鋁散熱器嵌銅塊或者銅散熱器。對(duì)流換熱公式對(duì)流換熱的熱量按照牛頓冷卻定律計(jì)算：Q=hA(Tw-Tair)其中：A為與熱量傳遞方向垂直的面積，單位為m2;Th與Tc分別為固體壁面與流體的溫度，h是對(duì)流換熱系數(shù)，自然對(duì)流時(shí)換熱系數(shù)在1～10W/(℃*m2)量級(jí)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般不會(huì)超過(guò)3～5W/(℃*m2)；強(qiáng)制對(duì)流時(shí)換熱系數(shù)在10～100W/(℃*m2)量級(jí)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般不會(huì)超過(guò)30W/(℃*m2）。熱阻的概念公式對(duì)導(dǎo)熱和對(duì)流換熱的公式進(jìn)行變換：Fourier導(dǎo)熱公式：Q=λA(Th-Tc)/δQ=(Th－Tc)/[δ/(λA)]Newton對(duì)流換熱公式：Q=αA(Tw-Tair)Q=(Tw-Tair)/(1/αA)熱量傳遞過(guò)程中，溫度差是過(guò)程的動(dòng)力，好象電學(xué)中的電壓，換熱量是被傳遞的量，好像電學(xué)中的電流，因而上式中的分母可以用電學(xué)中的電阻概念來(lái)理解成導(dǎo)熱過(guò)程的阻力，稱(chēng)為熱阻（thermalresistance），單位為℃/W,其物理意義就是傳遞1W的熱量需要多少度溫差。在熱設(shè)計(jì)中將熱阻標(biāo)記為R或θ。δ/(λA)是導(dǎo)熱熱阻，1/αA是對(duì)流換熱熱阻。器件的資料中一般都會(huì)提供器件的Rjc和Rja熱阻，Rjc是器件的結(jié)到殼的導(dǎo)熱熱阻；Rja是器件的結(jié)到殼導(dǎo)熱熱阻和殼與外界環(huán)境的對(duì)流換熱熱阻之和。這些熱阻參數(shù)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得，也可以根據(jù)詳細(xì)的器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)計(jì)算得到。根據(jù)這些熱阻參數(shù)和器件的熱耗，就可以計(jì)算得到器件的結(jié)溫。對(duì)于高功率LED，短時(shí)間運(yùn)行其最高允許結(jié)溫為125℃，而長(zhǎng)期使用結(jié)溫不允許超過(guò)110℃，對(duì)于低功率LED，其最高允許結(jié)溫為在散熱設(shè)計(jì)中我們通常考慮幾個(gè)方面：導(dǎo)熱材料，傳導(dǎo)介質(zhì)，熱能位置，吸熱界面，熱流方向，環(huán)境溫度等等。一，LED燈具熱分析公式;Ｔj≧Ta+(Rthb-a×P)+(Rthj-sp×Pled)Rthb-a≦(Ｔj-Ta-Rthj-sp*Pled)/P式中：ＴjLED理論結(jié)點(diǎn)溫度,單位:℃Ta使用環(huán)境溫度,單位:℃Rthb-a燈具散熱部件總熱阻,單位:℃/W;Pled單顆LED功率,單位:W;PLED總功率,單位:WRthj-sp單顆LED熱阻.單位:℃/W;二,散熱計(jì)算公式：RJA=RJC+RCB+RBARJA=（TJ－TA）/PDPD=VF×IFRJA=(TJ－TC)/PD+(TC－TA)/PDRJC=(TJ－TC)/PDRBA=(TC－TA)/PDTJ=RJC×PD+TC=RJC（IF×VF）+TC式中：TJ是結(jié)溫；TA是工作環(huán)境溫度；TC是散熱墊底部的溫度；RJA是總熱阻；RJC是LED熱阻；RCB敷銅層熱阻；RBA是環(huán)境空氣熱阻；三，熱阻（表征阻止熱量傳遞的能力的綜合參量），單位℃/W，方程式中用“R”或“θ”表示。導(dǎo)熱熱阻：R=L/（KA），L為平板厚度；A為平板垂直于熱流方向的截面積；K為平板材料的導(dǎo)熱率。對(duì)流換熱熱阻：R=1/（hA），h為對(duì)流換熱系數(shù)，A為換熱面積；輻射熱阻：1，對(duì)于兩個(gè)物體表面的輻射：R=1/（A1F1-2）或1/（A2F2-1）2，對(duì)于物體與環(huán)境大氣的輻射：R=1/（hrA）式中：A,A1，A2為物體互輻射的表面積；F1-2和F2-1為輻射角系數(shù)；hr為輻射換熱系數(shù)；以上三種熱阻或綜合熱阻也可以用以下的公式定義：R12=（T1-T2）/Q（T1＞T2）式中：T1，T2為某兩點(diǎn)位置的溫度；Q為通過(guò)的1,2點(diǎn)的傳導(dǎo)熱速率，則R12為1,2點(diǎn)件的熱阻。雖然熱阻單位不同但其值是等效的，例：1℃四，接觸熱阻，單位㎡*K/W,在公式中用Rc表示；對(duì)于單位面積的交界面接觸熱阻定義為：Rc=(T2A-T2B)/Q，其中，T2A,T2B為兩交接面的表面溫度，Q為通過(guò)交接面的傳熱速率。減少觸熱阻的措施：增加借組部分面積，增加結(jié)合壓力，減小結(jié)合面粗糙度，提高結(jié)合面的平面度，選擇導(dǎo)熱率達(dá)界面流體，自然狀態(tài)下界面空隙的流體多為空氣，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)極低（0.023W/m*k）而在界面涂上有較高的導(dǎo)熱能力的物體五，散熱器的設(shè)計(jì)及選擇；①；定義熱邊界條件（系統(tǒng)總的熱耗散功率Q,最大工作的溫度TA,元器最大允許工作溫度TJ）②；估算系統(tǒng)熱阻Rja=（Tj-Ta）/Q③；估算散熱熱阻Rba=(Tj-Ta)/Q-Rjb④；設(shè)計(jì)/選擇散熱器(根據(jù)估算的Rba為初始目標(biāo)進(jìn)行散熱器的設(shè)計(jì)或從散熱設(shè)備制造商提供的規(guī)格數(shù)據(jù)選擇合適的散熱器)六，影響散熱器性能的主要因素：散熱器的材料材料熱傳導(dǎo)率K(W/m.K)比熱容J/kgK-1℃密度(g/cm3)熱膨脹系數(shù)1/℃銀silver4290.2410.50.0000196銅cooper4010.398.690.0000166金gold3171.2919.320.0000144鋁aluminum2370.92.7氧化鋁0.0000042AL6061鋁合金1552.70.0000236AL6063鋁合金2010.92.70.0000234ADC12960.92.7AL1070鋁合金2260.92.7AL1050鋁合金2090.92.70.0000236diamond鉆石23003.52鐵807.3~7.70.00001176錫677.310.0000023鉛34.811.3鋼材58.27.8鋁合金2032.7PVC0