LED熱管理中散熱器的選擇

當(dāng)高亮度LED的前向電流增加而封裝尺寸減小，熱逸散及災(zāi)難性故障的潛在也隨之增加。在眾多LED應(yīng)用中，由于極端的高溫環(huán)境，需要更高級(jí)別的保護(hù)。

　　熱折返是減少LED故障及避免因?yàn)檫^熱而導(dǎo)致LED壽命縮短的常用方法。這種控制方法使用一個(gè)與溫度成反比的信號(hào)，在設(shè)置溫度斷點(diǎn)后降低LED的電流。

以下介紹兩個(gè)例子：一個(gè)100W路燈應(yīng)用和一個(gè)12W的軍用手電筒應(yīng)用。這兩個(gè)實(shí)例介紹了較為復(fù)雜的系統(tǒng)與較為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)間的區(qū)別及各自的設(shè)計(jì)流程。

　　背景

　　在使用大功率LED的傳統(tǒng)照明應(yīng)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(dǎo)體結(jié)點(diǎn)來傳導(dǎo)熱量。此傳導(dǎo)功率（PD）等于前向電壓（VF）和前向電流（IF）的乘積。

　　PD=VF×IF

　　為了保持一個(gè)安全的LED結(jié)點(diǎn)溫度，必須消除這個(gè)傳導(dǎo)功率。需要對(duì)系統(tǒng)中的熱阻抗進(jìn)行分析，才能在額定功率下定制一個(gè)散熱器以確保期望的熱特性 。

　　一個(gè)典型的大功率LED將通過其器件、錫焊連接點(diǎn)、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(gè)簡(jiǎn)單的模型，計(jì)算就相當(dāng)簡(jiǎn)單。LED結(jié)點(diǎn)的功率耗散（PD），必須通過結(jié)點(diǎn)-環(huán)境的總熱阻（θJA）分配，這一點(diǎn)與電流通過電氣電阻時(shí)極其相像。

　　由此產(chǎn)生的結(jié)點(diǎn)溫度（TJ）和環(huán)境溫度（TA）之間的溫度差（TJ-TA）等于一個(gè)電氣電壓（歐姆定律的熱當(dāng)量）：

　　TJ-TA=PD×θJA

　　θJA 指下列各值的總和。

　　θJS：結(jié)點(diǎn)至錫焊點(diǎn)熱阻；

　　θSH：錫焊點(diǎn)至散熱器熱阻；

　　θHA：錫焊點(diǎn)至環(huán)境熱阻。

　　θJS代表內(nèi)部的LED熱阻，而θSH代表印刷電路板（PCB）電介質(zhì)和結(jié)點(diǎn)熱阻。最后，θHA代表散熱器熱阻，θJS值為L(zhǎng)ED制造商數(shù)據(jù)表中指定值，并且是一個(gè)簡(jiǎn)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(diǎn)到散熱器的連接良好（包括：多重?zé)釋?dǎo)通孔，適量的銅，良好的焊接和可能用到的導(dǎo)熱膠），θSH則基本上可以忽略不計(jì)。這將產(chǎn)生一個(gè)小于2℃/W的極低θSH值。

　　θHA保持不變，因?yàn)樗嗟厝Q于散熱器表面積及其導(dǎo)熱性能。在標(biāo)準(zhǔn)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，θHA值可能會(huì)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 （TJ-TA）。熱設(shè)計(jì)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(dāng)于需要一個(gè)更大的散熱器。

　　實(shí)際應(yīng)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(huì)增加5%~10%前向?？赡艿臏囟壬仙秶韪鶕?jù)最差情況下預(yù)計(jì)的TA值計(jì)算。此外，在制造商規(guī)定的規(guī)格中，通常會(huì)降低最大允許的TJ值，以確保LED使用壽命和效率不會(huì)降低 。這些容差迫使我們提升最壞情況下的散熱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，要比標(biāo)定時(shí)提高25%~50%。

　　LED驅(qū)動(dòng)器

　　這些LED僅僅是具有LED驅(qū)動(dòng)器主控機(jī)制的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的組成之一。高亮度LED驅(qū)動(dòng)器通常是通過開關(guān)轉(zhuǎn)換器支持其工作。轉(zhuǎn)換器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)以提供一個(gè)近似于恒定的LED光通量輸出。驅(qū)動(dòng)器可適應(yīng)不斷變化的動(dòng)態(tài)情況，提供連續(xù)調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)電氣穩(wěn)定性。在最常見的LED驅(qū)動(dòng)器中，需要對(duì)輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，因?yàn)樗c輸出通量有著密切的關(guān)系并易于做出調(diào)整。

　　盡管電氣穩(wěn)定性是控制方案的根本，但熱平衡是可控變量（LED電流）和不可控變量（環(huán)境）的函數(shù)。隨著環(huán)境溫度從25℃的室溫增高時(shí)，LED的前向電壓降低。因?yàn)殡娏鞅徊粩嗾{(diào)整，因此功率降低，最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)結(jié)點(diǎn)熱平衡的目的。但最終環(huán)境溫度的升高會(huì)導(dǎo)致結(jié)溫超過LED的安全工作范圍。此時(shí)，LED內(nèi)的各種元件性能降低、惡化，最終導(dǎo)致熱逸散和災(zāi)難性的LED故障。