基于不同散熱模式LED的光電熱特性研究
LED固體光源,與傳統(tǒng)光源相比,具有效率高、光色純、能耗低、壽命長(zhǎng),可靠耐用、應(yīng)用靈活、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于道路照明、家用照明、汽車燈照明、景觀照明等領(lǐng)域【1】。然而良好的散熱特性是LED優(yōu)異性能和穩(wěn)定可靠的根本保證。溫度對(duì)LED性能產(chǎn)生重要的影響,包括色溫改變、波長(zhǎng)紅移、效率下降、正向壓降等等,因此,熱管理對(duì)LED的性能、光轉(zhuǎn)換效率以及應(yīng)用產(chǎn)生重要的影響【2】。本文主要研究新型垂直散熱模式LED在光電熱特性方面的潛在優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)水平散熱模式LED相比,垂直散熱結(jié)構(gòu)LED具有亮度高、散熱快、光衰小、成本低、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn),是目前中小功率LED中應(yīng)用照明光源的發(fā)展趨勢(shì)。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/200403.htm一、垂直與水平散熱模式結(jié)構(gòu)對(duì)比
在本文兩種不同散熱模式LED特性分析中,新型垂直散熱模式LED選用目前市場(chǎng)及應(yīng)用熱門的3014LED為例,傳統(tǒng)水平散熱模式則選用常用的3528LED為例,以做對(duì)比分析。
圖1和圖2分別為垂直散熱與水平散熱LED的結(jié)構(gòu)示意圖,圖3所示為兩種LED的散熱方式示意圖。
圖1.垂直散熱模式結(jié)構(gòu)示意圖
圖2.水平散熱模式結(jié)構(gòu)示意圖
圖3.水平與垂直散熱方式示意圖
從圖1、圖2的結(jié)構(gòu)圖中可以看出,3528LED在結(jié)構(gòu)是通過(guò)焊接兩端電極的焊腳進(jìn)行散熱,散熱方式為水平散熱。3014LED在結(jié)構(gòu)上是通過(guò)底板散熱通道進(jìn)行散熱,散熱方式主要為垂直散熱。圖3更清楚的表達(dá)了兩種不同結(jié)構(gòu)LED的散熱模式。
二、LED燈珠的熱學(xué)特性模擬
為了更好的研究對(duì)比分析不同散熱結(jié)構(gòu)LED的散熱情況,我們使用了ANASYS有限元分析模擬軟件進(jìn)行建模及熱學(xué)模擬分析。
為了能更方便的計(jì)算LED的熱阻,首先設(shè)置底板溫度參數(shù)為60℃,芯片功率為0.06W,固晶膠KER-3200-TI厚度為0.01mm,驅(qū)動(dòng)電流為20mA進(jìn)行熱分析,水平散熱結(jié)構(gòu)LED及垂直散熱結(jié)構(gòu)LED的熱分布分別如圖4、圖5所示。
圖4.水平散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖
圖5.垂直散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖
表1.散熱模擬溫度數(shù)據(jù)
由圖4、圖5及表1可以看出,當(dāng)同時(shí)控制基底溫度為60℃和LED工作電流為20mA時(shí),雖然垂直散熱模式LED的芯片溫度要略高,這是因?yàn)樗x用的3014LED模型的體積及散熱面積均遠(yuǎn)小于3528 LED,熱量過(guò)于集中所造成。但垂直散熱模式的溫差較小,其熱阻117 mm?℃/W也遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)水平散熱156 mm?℃/W,均表明垂直散熱模式的散熱效率優(yōu)于水平散熱模式。
為了更接近散熱的客觀事實(shí)情況,對(duì)LED熱特性進(jìn)行第二次模擬分析。此次模擬在模型中加入相同尺寸的鋁板,不限定其溫度,只設(shè)定驅(qū)動(dòng)電流為20mA,與現(xiàn)實(shí)使用情況相符。水平散熱LED及垂直散熱LED的熱分布分別如圖6、圖7所示。
圖6.水平散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖
圖7.垂直散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖
表2.LED散熱模擬溫度數(shù)據(jù)
由圖6、圖7及表2可看出,垂直散熱模式LED的芯片溫度、負(fù)極溫度、溫差、熱阻等各項(xiàng)參數(shù)均遠(yuǎn)小于水平散熱燈珠,這表明垂直散熱模式能把積聚在內(nèi)部芯片的熱量及時(shí)散去。此模擬結(jié)果表明了在不設(shè)定任何溫度限制即更接近于客觀事實(shí)的情況下垂直散熱模式具有更高散熱效率的優(yōu)勢(shì)。
因一般3014LED在使用過(guò)程中一般多用25mA或者30mA電流驅(qū)動(dòng),所以對(duì)25mA 驅(qū)動(dòng)的3014LED進(jìn)行了熱模擬分析。模擬條件如下:功率設(shè)為0.072W,固晶膠厚度設(shè)為0.01mm,正向電流IF設(shè)為25mA,相同尺寸鋁板,不限定溫度。此種情況的熱分布分別如圖8所示。表3為此次熱模擬分析的結(jié)果。與垂直散熱LED在20mA驅(qū)動(dòng)時(shí)散熱情況相比,其芯片和負(fù)極的溫度大幅度降低,表明垂直散熱LED在大電流驅(qū)動(dòng)時(shí)凸顯出更優(yōu)的散熱效果。
圖8.垂直散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖
表3.垂直散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬結(jié)果(25mA)
對(duì)比表2和表3即如表4所示,通過(guò)分析,3014LED即使在25mA驅(qū)動(dòng)下,其芯片、負(fù)極溫度、溫差與20mA驅(qū)動(dòng)的3528LED相當(dāng),而其熱阻130 mm?℃/W遠(yuǎn)低于20mA驅(qū)動(dòng)的3528LED。結(jié)果表明即使大電流驅(qū)動(dòng)垂直模式LED,其散熱效果依然優(yōu)于小電流驅(qū)動(dòng)的水平散熱模式LED。此外,良好的散熱優(yōu)勢(shì)使得垂直模式LED在大電流驅(qū)動(dòng)下獲得更高的光通量。在照明應(yīng)用中小功率LED加大電流提高光通量從而可降低成本。垂直模式LED散熱效率高、光通量高、成本低的優(yōu)勢(shì)是成為照明應(yīng)用光源趨勢(shì)的主要因素。
評(píng)論