译介社 | LED学院 Lesson 9：LED 热学 • LED性能及灯具散热设计-专栏作家-云知光

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《LED Academy》译介序：这份资料一共分为7个章节，分别是：

第一章：LED基础
第二章：LED光学
第三章：LED热学
第四章：LED控制
第五章：LED优势
第六章：LED应用
第七章：LED战略

这7个章节由7位译介社成员分别领取任务进行翻译，然后统稿审校整体发布。至于是哪7位，暂时不剧透，请往下慢慢看，自有分晓。（温馨提示：「译介社」栏目本系列文章每逢周二、周五、周日发布，敬请关注。回复“译介社”或“yjs”即可查阅本系列文章。）

LED学院 Lesson 9：LED 热学 • LED性能及灯具散热设计

3. LED 热学

3.4 LED性能

LED的应用在过去几年里有了突飞猛进的发展。最初，LED的散热并不是个问题，因为当时使用的主要是小功率LED。然而现在随着大功率LED的使用，其发热量大幅提高，为了保证LED的高效率、可靠性和长寿命，散热问题必须得到解决。

衡量LED性能的基本参数有（见图3.4.1）：

• 结点温度——Tj

• 热阻——Rj-a

图3.4.1：衡量LED性能的基本参数

（LED DIE ：LED芯片；CIRCUIT BOARD：电路板；HEAT SINK：散热片；HEAT IS REMOVED FROMLED CHIP TO AMBIENT：热量从LED芯片散发到环境中去）

热阻

热阻的定义是温差和功率之间的比值，反映了材质/组件之间热量传递的效率。其定义公式如下：

R – 两点之间的热阻；

ΔT – 两点之间的温差；

P – 两点之间热传递功率。

结点温度

LED光源通电发光的同时会发热，而结点温度必须尽量维持在一个较低的水平。“结点”这个词指的就是LED半导体芯片内部的p-n结。每种LED产品的参数表里都能找到最高可容许温度的推荐值。

由于结点处的温度在整个LED内部是最高的，因此它是预估LED寿命的关键性指标。从热力学角度来看，结点温度受很多因素影响，比如冷却散热系统、环境、界面材质等等。

结点温度的计算公式表示如下：

其中Rjc表示结点到外壳的热阻，由厂家提供；P表示发热功率，可以通过用电功率和WPE计算而得；Tc表示外壳温度。如果计算出来Tj比厂家提供的结点最高可容许温度还高，那么该款灯具就必须重新设计。

LED性能衰减

结点温度过高会导致LED性能下降，尤其是使用寿命、光色品质及流明输出。如果超过了额定最高结点温度，工作温度每上升10度，LED的使用寿命就会下降30%到50%。

结点温度升高后还会导致明显的往光谱短波方向的色漂，这对“白光”LED光源影响很大。大部分所谓“白光”LED实际上发出的是蓝色光，通过荧光粉转化后变为白光。温度升高后，蓝光会朝红色光谱漂移，与荧光粉的作用发生变化，结果是最终出光的色调发生变化。

受LED热管理系统影响的最后一个主要参数是流明输出。提高电流能够提高LED的流明输出，但是，大电流也会导致发热量提高。因此在确定电流值时必须在系统性能和使用寿命之间选择一个最优的平衡。

3.5 LED灯具的散热设计

从热学设计的角度来看，一套典型的LED灯具包括LED光源、印刷电路板（PCB板）和冷却散热系统。LED光源包括半导体芯片（发光部分）、光学元件、封装以及用来导走芯片热量的散热块，散热块是焊在PCB板（通常是金属PCB板，简称MCPCB）上的。

要缩短LED灯具的研发周期，就有必要预估LED光源在灯具里面的发热情况。随着大功率高流明封装产品的增加，LED灯具的散热问题成为一种挑战。散热设计成了LED灯具研发过程中必不可少的部分。在早期设计阶段，基于有限元方法的热力学模拟程序是目前应用最广的工具软件。图3.5.1展示了基于几个基本输入/输出参数模拟的LED灯具简化模型。

图3.5.1：基于几个基本输入/输出参数模拟的LED灯具简化模型

热力学建模

影响LED结点温度的有三大因素：驱动电流、热传导路径和环境温度。通常来说，驱动电流越大芯片发热量越高。要想维持预期的光输出、寿命和色温就必须及时把热量从芯片上导走。热量转移的数量取决于环境温度及从芯片到周围环境的热传导路径。

模型描述

图3.5.2：LED灯具的3D模型

图3.5.2展示了一套LED灯具的3D模型。在此模型中，外壳选用了多种不同材质以找出最有利于散热的那种。该灯具没有装散热片，灯具外壳本身发挥了导热及散热的作用。在此条件下，外壳的形状及材质是关键因素。

边界条件

为了做计算流体动力学（CFD）分析，我们假设以下条件：

灯具用电功率为32W
处于恒稳态
环境温度35°C
热量通过自然传导及对流散发
所有零件的辐射效应设定为0.8
灯具处于水平方向（最不利情况）
计算范围是800*800*800mm³

材料属性

表3.5.3 表示热力学模拟中各种材料的属性

结果

外壳选用了两种不同材料：ADC12和AI6082，ADC12适合压铸成型而AI6082适合机械加工。通过数值分析，采用AI6082的模型表现采用ADC12的模型提高6%。LED芯片的最高可容许外壳温度是78℃，两种外壳都满足了此条件，但是外壳1离临界值更近。因此对此灯具来说最佳选择是AI6082。图3.5.4展示了模拟结果。