LED散熱分析

作者：時間：2012-12-31 來源：網(wǎng)絡(luò)

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，又知道其熱阻，就可以知道它的溫升是多少。熱阻越大，熱量越流不動，溫升就越高，熱阻越小，熱量流動越快，溫升就越小。圖中表明熱量從LED芯片流出到空氣需要經(jīng)過很多不同的熱阻：

　　Rj1：從芯片到安裝底板的熱阻(也就是芯片的熱阻)

　　Rj2：焊料的熱阻

　　Rj3：鋁基板的熱阻

　　Rj4：導(dǎo)熱硅膠的熱阻

　　Rj5：從散熱器到空氣的熱阻

　　所以從芯片到空氣的總熱阻就應(yīng)該是：

　　Rja=Rj1+Rj2+Rj3+Rj4+Rj5

　　只要知道從芯片到空氣的全部熱阻，就可以根據(jù)需要耗散的功率Pd，計算出結(jié)溫來，知道了結(jié)溫也就可以知道其壽命了。

　　假定環(huán)境溫度為Ta，那么結(jié)溫為：

　　Tj=Pd(Rj1+Rj2+Rj3+Rj4+Rj5)+Ta

　　然而實際的LED燈具，從LED芯片到空氣所經(jīng)過的熱阻要遠比這個多很多，例如，通常薄膜印制板是安裝在鋁基板上，鋁基板再安裝到鋁散熱器上，其間還要涂上導(dǎo)熱膠，導(dǎo)熱膠的厚度很難估計，而且其中還有殘存的氣隙。對于采用熱管的燈具，則還要考慮熱管和散熱鰭片之間的空隙和導(dǎo)熱膠的熱阻等問題。

　　而且最難估算的是Rj5，也就是散熱器到空氣的熱阻。這牽涉到很多有關(guān)對流和輻射的散熱機制問題。

　　需要注意的是在計算LED的散熱時，經(jīng)常犯的一個錯誤是把LED的全部功率當(dāng)成是其耗散功率Pd。例如，一個1W的LED，其正向電壓是3.3V，正向電流是350mA。于是就把這二者的乘積1.155瓦作為其耗散功率。這是錯誤的。因為這只是其輸入功率，而不是其耗散功率。有一部分輸入功率變成了有用的光發(fā)射出去了。需要作為熱來耗散的那部分，應(yīng)當(dāng)是輸入功率減去以有用光的形式發(fā)射出去的那部分，才是需要作為熱而耗散的那部分。不過這部分比較難計算。一般來說，因為LED的發(fā)光效率有所不同，而這個耗散功率也有所不同。一般來說，可以作如下的近似：發(fā)光效率為100lm/W，其耗散功率應(yīng)為70%輸入功率，對于上面所說的1W的LED，也就是1.155x0.7=0.8W變成無用的熱需要散發(fā)出去。

　　那么是不是知道了所有各部分的熱阻，我們就可以知道這個LED燈具的總熱阻，也就可以知道LED芯片的結(jié)溫，也就可以知道這個燈具的壽命了呢?

　　情況遠遠不是那么簡單，雖然我們可以仔細分析每一部分的熱阻，甚至還可以得到比較精確的數(shù)字，但是還是有很多重要的因素被我們忽略掉了。因為上面的這個模型只不過是單個LED的燈具的模型，而實際的燈具要比這個模型復(fù)雜很多。

　　1.LED的分布。在很多情況下，LED燈具里是由很多顆LED所構(gòu)成而不是只有一個LED?？赡芩羞@些LED都焊在一塊鋁基板上。這時候如果只用標(biāo)準的鋁基板的熱阻來計算整個燈具的熱阻就會有很大的出入。因為每個LED的散熱會受到周圍LED所發(fā)出的熱影響。換句話說，這時鋁基板的熱阻是很難計算的。

　　2.其他熱源的影響，例如LED的恒流電源就是重要的發(fā)熱源，假如這個發(fā)熱源靠近某些LED，那么就會明顯降低這些LED的散熱而縮短其壽命。也相當(dāng)于改變了其熱阻。

　　3.熱阻實際上只考慮了熱傳導(dǎo)，而根本沒有考慮熱對流和熱輻射。熱量從LED芯片出發(fā)，經(jīng)過了一系列不同材質(zhì)傳導(dǎo)，最后到達鰭片散熱器。這些熱量最后都要散發(fā)到空氣中去。如果散發(fā)不到空氣中，那么這些熱量也會越積越多，導(dǎo)致結(jié)溫的升高。所以可以說，最后鰭片散熱器散到空氣中的這一環(huán)節(jié)，是最關(guān)鍵的一環(huán)，是最復(fù)雜的一環(huán)，也是最難計算的一環(huán)。或者說Rj5基本上是無法用簡單的計算就能算出來的。這就使得要通過所有部件的熱阻來計算出LED的結(jié)溫幾乎是不可能的事。

　　七.散熱器的設(shè)計

　　要談到散熱器，有一個概念先要搞清楚，就是導(dǎo)熱和散熱的區(qū)別。導(dǎo)熱就是要把熱量最快地從發(fā)熱源傳送到散熱器表面，而散熱則是要把熱量從散熱器表面散發(fā)到空氣中去。首先要把熱最快的導(dǎo)出來，然后要最有效地散到空氣里去。因為不管采用什么方法散熱，最后還是只能把熱量散發(fā)到空氣中。而熱量的散發(fā)只有兩種途徑：對流和輻射。

　　7.1對流散熱和輻射散熱

　　對于對流散熱來說，其基本公式如下：

　　Q=h?A?△T

　　其中Q為散去的熱量，h為熱對流系數(shù)，A為散熱器的散熱面積，△T為散熱器表面和附近空氣之間的溫度差。

　　更形象一點，可以用圖10來表示：

　　圖10.基于對流的散熱量的計算

　　鰭片的散熱主要是靠對流和輻射，這其中對流是最重要的。這兩部分都取決于鰭片的總面積。面積越大，散熱效果越好。然而，對流散熱則不完全取決于鰭片面積的大小，而且還和風(fēng)力風(fēng)向有關(guān)，在完全無風(fēng)的狀態(tài)下，則和自然對流的阻力有關(guān)。例如假如為了防塵和防鳥屎堆積，鰭片朝下安裝，那么鰭片兩端不能堵住，而且燈具要么向下傾斜要么向上傾斜，可以讓熱空氣能夠順暢地流動。

　　熱輻射的散熱公式為“Q=E×S×F×Δ(Ta-Tb)”。公式中Q代表熱輻射所交換的能力，E是物體表面的熱輻射系數(shù)。在實際中，當(dāng)物質(zhì)為金屬且表面光潔的情況下，熱輻射系數(shù)比較小，而把金屬表面進行處理后(比如發(fā)黑)其表面熱輻射系數(shù)值就會提升。塑料或非金屬類的熱輻射系數(shù)值大部分都比較高。S是物體的表面積，F(xiàn)則是輻射熱交換的角度和表面的函數(shù)關(guān)系，但這里這個函數(shù)比較難以解釋。Δ(Ta-Tb)則是表面a的溫度同表面b之間的溫度差。因此熱輻射量和熱輻射系數(shù)、物體表面積的大小以及溫度差之間都存在正比關(guān)系。絕對黑體的輻射系數(shù)為1。熱輻射散熱也可以用另一個公式來表示：

　　　　由表中可見，氧化處理是改進材料的輻射散熱的重要途徑。采用鑄鐵的暖氣片有相當(dāng)一部分的散熱靠的是輻射散熱。而且塑料的熱輻射性能和氧化后的金屬差不多。

　　為了改進輻射散熱，鋁合金鰭片散熱器要進行發(fā)黑處理，但是有人是采用噴黑色塑膠漆的方法，這種方法雖然也使其表面變黑，但是實際上又加上了一層絕緣層，妨礙了它的散熱。最好的方法是采用陽極氧化發(fā)黑處理，這個氧化層可以做得很薄，不至于影響其散熱，但對輻射散熱有很大的改進。。

　　總之，不管是對流還是輻射都是和散熱器的散熱面積成正比，所以要改善散熱一定要加大散熱器的面積。

八.鰭片散熱器

　　散熱器采用鰭片的形狀是為了加大散熱面積。以利于輻射散熱和對流散熱。散熱器的最重要指標(biāo)就是它的散熱面積A，但是散熱器的不同部位的散熱效果是不同的。在根部的散熱效果就差，而在頂部的散熱效果就好。所以散熱器有一個有效散熱面積。它通常是實際面積的70%左右。從經(jīng)驗得出，一般要散1W功率的熱量大約需要50-60平方厘米的有效散熱器面積。

　　而散熱器的材料通常是用鋁合金，和銅相比，雖然其熱傳導(dǎo)只有銅的一半，但是它重量輕、易加工、價格便宜，所以還是廣泛地應(yīng)用于散熱器之中。一種典型的散熱鋁合金型材如圖11所示。