燈珠結溫和散熱面積計算理論一、基礎理論大功率LED的散熱問題：LED是個光電器件，其工作過程中只有15%～25%的電能轉換成光能，其余的電能幾乎都轉換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱是個大問題。例如，1個10W白光LED若其光電轉換效率為20%，則有8W的電能轉換成熱能，若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會急速上升，當其結溫（TJ）上升超過最大允許溫度時（一般是150℃），大功率LED會因過熱而損壞。因此在大功率LED燈具設計中，最主要的設計工作就是散熱設計。另外，一般功率器件（如電源IC）的散熱計算中，只要結溫小于最大允許結溫溫度（一般是125℃）就可以了。但在大功率LED散熱設計中，其結溫TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ對LED的出光率及壽命有較大影響：TJ越高會使LED的出光率越低，壽命越短。K2系列白光LED的結溫TJ與相對出光率的關系。在TJ=25℃時，相對出光率為1；TJ=70℃時相對出光率降為0.9；TJ=115℃時，則降到0.8了；TJ=50℃時，壽命為90000小時；TJ=80℃時，壽命降到34000小時；TJ=115℃時，其壽命只有13300小時了。TJ在散熱設計中要提出最大允許結溫值TJmax,實際的結溫值TJ應小于或等于要求的TJmax,即TJ≤TJmax。大功率LED的散熱路徑.大功率LED在結構設計上是十分重視散熱的。圖2是Lumiled公司K2系列的內部結構、圖3是NICHIA公司NCCW022的內部結構。從這兩圖可以看出：在管芯下面有一個尺寸較大的金屬散熱墊，它能使管芯的熱量通過散熱墊傳到外面去。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。這是一種最簡單的散熱結構。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→環境空氣。若LED的結溫為TJ，環境空氣的溫度為TA,散熱墊底部的溫度為Tc（TJ＞Tc＞TA），散熱路徑如圖6所示。在熱的傳導過程中，各種材料的導熱性能不同，即有不同的熱阻。若管芯傳導到散熱墊底面的熱阻為RJC（LED的熱阻）、散熱墊傳導到PCB面層敷銅層的熱阻為RCB、PCB傳導到環境空氣的熱阻為RBA,則從管芯的結溫TJ傳導到空氣TA的總熱阻RJA與各熱阻關系為：RJA=RJC+RCB+RBA。各熱阻的單位是℃/W?？梢赃@樣理解：熱阻越小，其導熱性能越好，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，則上式可寫成：RJA=RJC+RBA散熱的計算公式若結溫為TJ、環境溫度為TA、LED的功耗為PD,則RJA與TJ、TA及PD的關系為：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的關系為：PD=VF×IF(2)如果已測出LED散熱墊的溫度TC，則(1)式可寫成：RJA=(TJ－TC)/PD+(TC－TA)/PD則RJC=(TJ－TC)/PD(3)RBA=(TC－TA)/PD(4)在散熱計算中，當選擇了大功率LED后，從數據資料中可找到其RJC值；當確定LED的正向電流IF后，根據LED的VF可計算出PD；若已測出TC的溫度，則按（3）式可求出TJ來。在測TC前，先要做一個實驗板（選擇某種PCB、確定一定的面積）、焊上LED、輸入IF電流，等穩定后，用K型熱電偶點溫度計測LED的散熱墊溫度TC。在（4）式中，TC及TA可以測出，PD可以求出，則RBA值可以計算出來。若計算出TJ來，代入（1）式可求出RJA。這種通過試驗、計算出TJ方法是基于用某種PCB及一定散熱面積。如果計算出來的TJ小于要求（或等于）TJmax，則可認為選擇的PCB及面積合適；若計算來的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為兩個面之間的距離，單位為m。λ為材料的導熱系數，單位為W/(m*℃），表示了該材料導熱能力的大小。一般說，固體的導熱系數大于液體，液體的大于氣體。例如常溫下純銅的導熱系數高達400W/(m*℃），純鋁的導熱系數為236W/(m*℃），水的導熱系數為0.6W/(m*℃），而空氣僅0.025W/(m*℃）左右。鋁的導熱系數高且密度低，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。對流換熱公式對流換熱的熱量按照牛頓冷卻定律計算：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是對流換熱系數，自然對流時換熱系數在1～10W/(℃*m2)量級，實際應用時一般不會超過3～5W/(℃*m2)；強制對流時換熱系數在10～100W/(℃*m2)量級，實際應用時一般不會超過30W/(℃*m2）。熱阻的概念公式對導熱和對流換熱的公式進行變換：Fourier導熱公式：Q=λA(Th-Tc)/δQ=(Th－Tc)/[δ/(λA)]Newton對流換熱公式：Q=αA(Tw-Tair)Q=(Tw-Tair)/(1/αA)熱量傳遞過程中，溫度差是過程的動力，好象電學中的電壓，換熱量是被傳遞的量，好像電學中的電流，因而上式中的分母可以用電學中的電阻概念來理解成導熱過程的阻力，稱為熱阻（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。在熱設計中將熱阻標記為R或θ。δ/(λA)是導熱熱阻，1/αA是對流換熱熱阻。器件的資料中一般都會提供器件的Rjc和Rja熱阻，Rjc是器件的結到殼的導熱熱阻；Rja是器件的結到殼導熱熱阻和殼與外界環境的對流換熱熱阻之和。這些熱阻參數可以根據實驗測試獲得，也可以根據詳細的器件內部結構計算得到。根據這些熱阻參數和器件的熱耗，就可以計算得到器件的結溫。對于高功率LED，短時間運行其最高允許結溫為125℃，而長期使用結溫不允許超過110℃，對于低功率LED，其最高允許結溫為在散熱設計中我們通?？紤]幾個方面：導熱材料，傳導介質，熱能位置，吸熱界面，熱流方向，環境溫度等等。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理論結點溫度,單位:℃Ta使用環境溫度,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是結溫；TA是工作環境溫度；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為平板材料的導熱率。對流換熱熱阻：R=1/（hA），h為對流換熱系數，A為換熱面積；輻射熱阻：1，對于兩個物體表面的輻射：R=1/（A1F1-2）或1/（A2F2-1）2，對于物體與環境大氣的輻射：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；hr為輻射換熱系數；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為某兩點位置的溫度；Q為通過的1,2點的傳導熱速率，則R12為1,2點件的熱阻。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，增加結合壓力，減小結合面粗糙度，提高結合面的平面度，選擇導熱率達界面流體，自然狀態下界面空隙的流體多為空氣，而空氣的導熱系數極低（0.023W/m*k）而在界面涂上有較高的導熱能力的物體五，散熱器的設計及選擇；①；定義熱邊界條件（系統總的熱耗散功率Q,最大工作的溫度TA,元器最大允許工作溫度TJ）②；估算系統熱阻Rja=（Tj-Ta）/Q③；估算散熱熱阻Rba=(Tj-Ta)/Q-Rjb④；設計/選擇散熱器(根據估算的Rba為初始目標進行散熱器的設計或從散熱設備制造商提供的規格數據選擇合適的散熱器)六，影響散熱器性能的主要因素：散熱器的材料材料熱傳導率K(W/m.K)比熱容J/kgK-1℃密度(g/cm3)熱膨脹系數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