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标题: 大功率LED的散热设计 [打印本页]

作者: vanchina 时间: 2008-6-9 17:31
标题: 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。

[ 本帖最后由 vanchina 于 2008-6-9 18:46 编辑 ]

作者: vanchina 时间: 2008-6-9 17:33
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。

作者: vanchina 时间: 2008-6-9 17:36
标题: 02
结温TJ与相对出光率关系图

作者: vanchina 时间: 2008-6-9 18:12
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。

作者: vanchina 时间: 2008-6-9 18:14
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

作者: vanchina 时间: 2008-6-9 18:15
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

作者: vanchina 时间: 2008-6-9 18:16
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

作者: vanchina 时间: 2008-6-9 18:18
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

作者: vanchina 时间: 2008-6-9 18:19
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

作者: vanchina 时间: 2008-6-9 18:20
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)

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。

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。

[ 本帖最后由 vanchina 于 2008-8-3 15:36 编辑 ]

作者: vanchina 时间: 2008-6-9 18:22
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。

作者: vanchina 时间: 2008-6-9 18:23
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
TJ=16℃/W（500mA×3.97V）
+71℃=103℃

作者: vanchina 时间: 2008-6-9 18:25
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。

作者: vanchina 时间: 2008-6-9 18:26
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。

作者: vanchina 时间: 2008-6-9 18:34

多提宝贵意见！

作者: yxp33 时间: 2008-6-10 11:52

顶

作者: vanchina 时间: 2008-6-11 22:02
晕,怎么没人顶啊!

作者: BBK214 时间: 2008-6-11 22:23
太专业了！！认真看了一下！

作者: yimu 时间: 2008-6-12 07:38
好东西，楼主做照明设计的吧，能否共享一个反光杯的PART。

作者: ynl296 时间: 2008-6-12 08:20
好贴，要顶一下
学习了
现在LED产品越来越多，市场也大

作者: hello_zzh 时间: 2008-6-12 09:33
你很专业，学习了一下。谢谢！

作者: fang82725 时间: 2008-6-12 10:31
楼主MM很强大

作者: votasee 时间: 2008-6-12 10:34
比较详细的好资料啊....现

计正当其时啊...

作者: leihuang 时间: 2008-6-12 20:25
好东西啊，顶你了

作者: vanchina 时间: 2008-6-13 16:46
反光杯抛物线一般方程:

y^2=2px

其中,焦点（P/2，0），准线x＝-P/2

做曲线时输入

x=80*t-40
y=(80*t-40)^2/40
z=0

(其中,t=0~1,焦距=10))

作者: vanchina 时间: 2008-6-13 16:53
这么少人顶啊
我还有透光镜资料没上传

作者: jb48624862 时间: 2008-6-13 17:41
我现在也做ＬＥＤ。一至没搞懂，装在支架上的ＰＣ透镜，其角度是怎么计算的．怎么设计，楼主能给这方面的资料吗，来点反光杯，透光镜也行啊。谢

作者: yimu 时间: 2008-6-16 07:49
再次顶贴，谢谢楼主PART。楼主现在做什么设计。

作者: xiaofeng81 时间: 2008-6-16 08:33
顶,好东西,期待楼主的更多资料分享

作者: sxh_sxh 时间: 2008-6-16 08:52
你很专业，学习了一下。谢谢

作者: 巧克力 时间: 2008-6-16 11:25
谁有单颗10W 750lm的LED，我公司需要为我们的LED灯具，采购这样的LED灯源
阿里巴巴上的都是些商家，我们需要一个可以大量供货的封装厂，有这方面信息的大侠PM一个给我，谢谢了。

作者: wingboy 时间: 2008-6-16 14:04
好东西呀,期待楼主有更多好东西分享.

作者: lhhwylili 时间: 2008-6-17 10:54
好东西，我做led一两年了，目前主要开发led路灯,高杆灯之类的大功率照明，有同行的可联系我qq:183496599

作者: wu_yue 时间: 2008-6-17 14:00
感谢楼主的详细介绍，学习了。

作者: 巧克力 时间: 2008-6-18 01:37
大功率LED是照明发展方向，随便问一下中国现在有生产这种LED的没有？ 10W,750 lm，冷白光

作者: kang520 时间: 2008-6-28 14:45
顶你一下,再顶一下,爽啊!我好需要你-------的资料,哈哈,TKS!有好资料可以发到我邮箱吗:lsk270@163.com

作者: dongzigemen 时间: 2008-7-1 14:10
标题: bucuo
不错不错,我顶顶顶!

作者: ramywboy 时间: 2008-7-1 15:57
LED等电能转换效率才20%？白炽灯是多少啊？那CF的冷光灯呢？

作者: zhang6767gao 时间: 2008-7-1 21:25
太专业了！！虽然看不懂,还是要谢谢楼主

作者: vanchina 时间: 2008-7-18 23:36
谁可以透露目前做LED设计师的薪水

作者: essian 时间: 2008-7-22 09:59
楼主好厉害，我也是这个产业链的一员，我们提供贴片LED的小白颗的高温塑胶料的，后续的大功率LED High Power是我们的全面发展方向

作者: wusong 时间: 2008-7-22 10:04
呵呵,没有做过照明类的东东,学习一下.

作者: 爱钱的家伙 时间: 2008-7-22 11:43
标题: ....
我也是做ＬＥＤ灯具这方面的设计．工资一般般啊．楼主还有什么资料可以共享的啊

作者: blindeaf 时间: 2008-7-23 09:41
楼主发的真是好东西,我正好需要,说得很详细.谢谢分享....

我们公司做LED的薪水大概有8K--13K左右.看各个人的水平而定

[ 本帖最后由 blindeaf 于 2008-7-23 10:07 编辑 ]

作者: 爱钱的家伙 时间: 2008-7-23 10:45
标题: ..
楼上是什么公司啊？可否透露点信息？

作者: vanchina 时间: 2008-7-23 22:24
现在做LED的公司不多,但这两年会猛增,做ＬＥＤ灯具的各位高手,你们的资料也共享给大家吧,

作者: moon 时间: 2008-7-23 22:37
资料很专业

作者: czlczl 时间: 2008-7-24 00:49
可以发份到我邮箱吗?czl_2010@126.com

作者: cypilhl 时间: 2008-7-26 15:36
非常專業，樓主真厲害，謝謝!

作者: 美好明天 时间: 2008-7-27 09:50
妹妹,你好历害哟,现在做大功率LED的工资要看你做的是哪一方面的灯具了,商业照明的一般是年新4-5W的样子,大功率路灯6-8W每年,如果你做大功率路灯有人来挖墙脚一个月就有可能上两万,现在LED大功率路灯有一个很好的商业前景

作者: wwzbohr 时间: 2008-7-27 14:45
很好资料，LED现正流行了。

作者: spoiny52 时间: 2008-8-3 01:36
一般会用到比较多的铜垫散热。。。

作者: vanchina 时间: 2008-8-3 15:39
???

???

作者: vanchina 时间: 2008-8-16 18:24
谁有单颗10W 以下的LED，我公司急需这类LED，有这方面信息的大侠帮帮忙，给我信息。谢谢！

作者: liu_q_m007 时间: 2009-3-3 00:07
写得非常得好,详细介绍了怎么计算LED junction temperature .我也是刚入行,光学零件设计这一块不知道,比如透镜lens该怎么设计等,楼主能否发些资料给我 my emaill: newlqm007@vip.sina.com
LED 照明是一个很有发展前景的行业,因为它能够节省80%的电能, 寿命长,几乎不用维护,国家也正在大力推行LED照明,强制所有的普通照明改为LED照明,是个朝阳产业~~~~

作者: huayuan008 时间: 2009-3-3 09:15
分析的很详细，很有指导价值。

作者: review 时间: 2009-3-4 19:25
不錯的資料.....

作者: xiaohem 时间: 2009-3-11 17:05
学习学习。。。。

作者: 云梦悠悠 时间: 2009-3-11 19:09
好贴一定要顶的哦

作者: boatyyz 时间: 2009-3-12 10:15
好东东，学习了

作者: zj8407 时间: 2009-3-13 17:12
同行，LED路灯

作者: lianluohua 时间: 2009-3-20 08:45
好贴一定要顶的哦

作者: weienbao 时间: 2009-3-20 18:03
把这个资料也传一份给我，谢了
moldtwo@126.com

作者: jwf67113 时间: 2009-3-21 00:19

,楼主太专业！牛！！

作者: liuhaiqiang 时间: 2009-3-21 00:51

只可惜核心芯片都被外国垄断了
中国的企业只能吃些剩菜剩饭了
痛苦啊

作者: 飞鸟虫 时间: 2009-3-21 11:08
我有个朋友在写LED芯片程序
他自己也在搞大功率LED攻关
要是楼主和他合作就好了

作者: heyy2685 时间: 2009-4-1 11:48
在LED 灯具设计行业, 对发光强度的计算要求精确吗?一般的传递环节效率经验值多少啊?
还有埋地灯的散热问题怎么解决啊?
期盼楼主和高手指教!

作者: 水北古月 时间: 2009-4-1 12:39
楼主有做过路灯和太阳能灯具吗？跟老板讲讲，把你挖过来得了！

作者: 飞鸟虫 时间: 2009-12-3 12:38
强人啦
正想往LED发展
可一直不得要领！！！

作者: shorewen 时间: 2009-12-3 14:54

美美，挺专业的，只是跳进老外设计好的坑坑，没有自己创新的

作者: SZGAOFENG 时间: 2010-4-10 09:50
创新要本钱。要精力。中国人都钻到钱的领域中去了。还需要创新吗？创新的概念再等二十年吧。

作者: harry_nyx 时间: 2010-4-10 21:38
楼主很专业，在下正有LED灯方面的散热难题，好好学习了。也希望楼主能把这个主题延续下去

作者: alan666 时间: 2010-5-18 16:30
向楼主学习

作者: liberal11 时间: 2010-7-20 22:28
非常专业，支持好贴！

作者: 伟伟 时间: 2010-8-2 10:27
又了解不少，谢谢楼主

作者: charliechen 时间: 2010-8-3 09:38
同行

作者: gocad 时间: 2011-8-21 15:45
谢谢楼主分享

作者: hrt001 时间: 2011-8-21 15:59
谢谢楼主分享

作者: wrf0772 时间: 2011-8-21 18:50
定下，谢谢楼主了！

作者: 490114260 时间: 2011-8-21 23:36
又了解不少，谢谢楼主

作者: jxczg 时间: 2011-8-22 09:12
看上去很专业，有没有下载啊？

作者: YeLo 时间: 2011-9-2 12:27
好专业的led资料，mark。。

作者: 韩大威 时间: 2011-10-25 09:44
讲的很详细

作者: jg-liu 时间: 2011-10-26 15:10
好专业的装备

作者: ldf20 时间: 2021-11-29 08:40
感谢分享

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