LED熱管理：一個散熱器足夠嗎?

　　固態(tài)照明解決方案的需求與日俱增使得對更好的熱管理技術的要求也迅猛增長。除了標準的機械方案外，還有監(jiān)測熱行為的電氣技術及為了穩(wěn)定系統(tǒng)熱量的調(diào)節(jié)控制。當高亮度LED的前向電流增加而封裝尺寸減小，熱逸散及災難性故障的潛在也隨之增加。在眾多LED應用中，由于極端的高溫環(huán)境，需要更高級別的保護。

　　熱折返是減少LED故障及避免因為過熱而導致LED壽命縮短的常用方法。這種控制方法使用一個與溫度成反比的信號，在設置溫度斷點后降低LED的電流。該方法可以通過多種方式實現(xiàn)。以下介紹兩個例子：一個100W路燈應用和一個12W的軍用手電筒應用。這兩個實例介紹了較為復雜的系統(tǒng)與較為簡單的系統(tǒng)間的區(qū)別及各自的設計流程。

　　背景

　　在使用大功率LED的傳統(tǒng)照明應用中，需要大的散熱器來排出LED所釋放的熱量。LED自身不散熱，相反，它們通過半導體結點來傳導熱量。此傳導功率(PD)等于前向電壓(VF)和前向電流(IF)的乘積。

　　P_D=V_F×I_F

　　為了保持一個安全的LED結點溫度，必須消除這個傳導功率。需要對系統(tǒng)中的熱阻抗進行分析，才能在額定功率下定制一個散熱器以確保期望的熱特性 。

　　一個典型的大功率LED將通過其器件、錫焊連接點、印刷電路板和散熱器來消耗大部分功率。如圖1所示。使用這個簡單的模型，計算就相當簡單。LED結點的功率耗散(P_D)，必須通過結點-環(huán)境的總熱阻(θ_JA)分配，這一點與電流通過電氣電阻時極其相像。

　　由此產(chǎn)生的結點溫度(T_J)和環(huán)境溫度(T_A)之間的溫度差(T_J-T_A)等于一個電氣電壓(歐姆定律的熱當量)：

　　T_J-T_A=P_D×θ_JA

　　θ_JA 指下列各值的總和。

　　θ_JS：結點至錫焊點熱阻;

　　θ_SH：錫焊點至散熱器熱阻;

　　θ_HA：錫焊點至環(huán)境熱阻。

　　θ_JS代表內(nèi)部的LED熱阻，而θ_SH代表印刷電路板(PCB)電介質(zhì)和結點熱阻。最后，θ_HA代表散熱器熱阻，θ_JS值為LED制造商數(shù)據(jù)表中指定值，并且是一個簡單的LED封裝函數(shù)。它可以在2~15℃/W的范圍內(nèi)變化。假如從錫焊點到散熱器的連接良好(包括：多重熱導通孔，適量的銅，良好的焊接和可能用到的導熱膠)，θ_SH則基本上可以忽略不計。這將產(chǎn)生一個小于2℃/W的極低θ_SH值。

　　θ_HA保持不變，因為它更多地取決于散熱器表面積及其導熱性能。在標準的FR4印刷電路板上(近似于LED的尺寸)，沒有外部散熱器，僅有底部覆銅層，θ_HA值可能會非常大，超過100℃/W。通過圖1所示的外部散熱器，可降低熱阻來保持理想的溫度差 (T_J-T_A)。熱設計需要根據(jù)下列θHA方程式，選擇合適的散熱器：

　　通過該方程可以很容易算出，如果功率增加或允許的溫度差降低，那么必要的熱阻將隨之降低，而這相當于需要一個更大的散熱器。

　　實際應用中 ，在系統(tǒng)使用壽命期內(nèi)，由于存在前向電壓及其他電子偏差，輸出LED功率會增加5%~10%前向?？赡艿臏囟壬仙秶韪鶕?jù)最差情況下預計的TA值計算。此外，在制造商規(guī)定的規(guī)格中，通常會降低最大允許的T_J值，以確保LED使用壽命和效率不會降低 。這些容差迫使我們提升最壞情況下的散熱設計標準，要比標定時提高25%~50%。