LED散热基础培训教程

目录１.热学的基本概念２.常见的散热方式和相应的理论计算方法３.LED光源热设计的相关信息４.灯具散热设计注意事项５.灯具热测试的几个重要条件６.散热技术7.LED热量管理8.热管理技术9.LED散热的设计和选择10.热分析中常用的软件11.其它新型散热技术12.如何测量LED节温LED灯具热传递方式热传递的三种基本方式为：传导、对流和辐射，热管理也从这三方面入手，分为瞬态分析和稳态分析。散热器的主要传递途径为传导和对流散热，自然对流下的辐射散热也是不容忽视的。一.热学基本概念1.1热传导在静态介质中存在温度差时，不论介质是固体还是液体，介质中都会发生传热。此过程为热传导。热传导是因存在温差而发生的能量的转移。1.2对流当一个表面和一种运动的流体处于不同温度时，它们之间发生的传热为对流1.3热辐射在所有具有温度的表面上，都在以电磁波的形式在发射能量，此过程为热辐射。热对流换热系数表二.常见的散热方式和相应的理论计算方法2.4散热热阻三.LED光源热设计的相关信息四.灯具散热设计注意事项五.灯具热测试的几个重要条件六.散热技术七.LED热量管理在固态照明行业，LED在亮度方面处于领先地位，它提供可回流焊设计，从而更加便于使用和热量管理。采用LED的照明应用不仅使光输出最大化，而且提高了设计灵活性，同时将对环境的影响降到最低。它们在专业性和通用性照明应用中都得到了广泛的使用。当设计使用LED的照明系统时，最关键的设计参数之一就是该系统从LED接合点排除热量的能力。LED接合点很高的工作温度会破坏LED的性能，导致光输出衰减和工作寿命减少。大多数LED失效机制都和温度密切相关。LED接合点温度的升高会导致光输出的减少，加速芯片老化。每种产品系列的最高接合点温度都已在产品数据表中列明。接合点温度主要受到三个参数的影响：LED周边环境的温度在LED接合点和外部条件间的导热通道LED释放的能量在设计带有高功率LED的照明系统时，应当遵循以下通用指导原则：成功进行散热设计要考虑的最重要因素是，将需要移除的热量降至最低。将LED驱动电路和LED电路板隔开非常重要，只有这样驱动器所产生的热能才不会导致LED接合点温度升高。下一个最有效的策略是将固灯具置里面的温度降至最低。只要注意几个设计参数，这个目标就能实现，比如说考虑防止整个系统达到整体功率密度的上限值的保守封装设计。保证进行自然对流冷却的通路洁净、畅通无阻也非常重要。提高散热片和LED间的热传导性对于热管理非常有必要。尽管从散热片上移除热量是通过对流实现，从LED到散热片的通道却是通过传导方式。最后，LEDPCB电路板/散热片的朝向在设计时也需要慎重考虑。正确安装电路板/散热片非常重要，使散热面保持垂直。如果电路板平面是水平的，那么它将会阻止空气对流的形成，这样就会显著降低系统的冷却性能。八.热管理技术热阻两点间的热阻被定义为温差和被释放功率的比率。本文档中计算所采用的单位是°C/W。对于LED，两个重要散热通道的热阻会影响LED接合点的温度：从LED接合点到封装底部的热接触点的热阻。该热阻由封装设计控制。它被当作焊点和外部环境间的热阻(Rthj-sp)。从热接触点到外部环境条件，这种热阻被定义为焊点和外部环境间的通路。它被当作焊点和外部环境间的热阻(Rthsp-a)在LED接合点和外部环境(Rthj-a)间的总热阻可以通过数学模型公式表示为数列热阻Rthj-sp和Rthsp-a的和释放功率由LED（Pd）所释放的总功率等于LED驱动电压(Vf)和驱动电流(If)的乘积。接合点温度LED接合点的温度(Tj)是外部环境温度(Ta)与释放功率和结点与外部环境热阻之乘积的和。Tj=Ta+(Rthj-axPd)在大多数情况下，高功率LED将被安装在金属核心印刷电路板（PCB）上，该板会和一个散热片相连接。热量通过传导方式从LED接合点流经PCB，到达散热片。散热片通过对流方式将热量散发到外部环境中去。在大多数LED应用中，与LED接合点和导热板之间，以及导热板到外界环境之间相比，LED和PCB和/或散热片之间的接触热阻还是相对较小的。当使用散热片时，总的热阻是三个串联电阻之和，它们分别是从接合点到焊接点(Rthj-sp)间的热阻与从焊接点到散热片间的热阻(Rthsp-h)，及从散热片到外部环境间的热阻(Rthh-a)Rthj-a=Rthj-sp+Rthsp-h+Rthh-a应当注意的是从LED封装到外部环境的直接热损失量非常小，以至于在计算时可以忽略不计。决定所需散热片的尺寸规格和种类的总体设计，目标就是计算出散热片最大热阻值(Rthh-a)，该热阻值将能够使接合点温度保持低于最恶劣工作环境下的最大值。例1：散热片的热阻在本例中，6个白色Xlamp7090LED被应用于最高外部环境温度达55°C的情形中。假设在本例中，典型正向电压为3.25V,驱动电流为350mA，且电源在固定装置的外面，那么LED所消耗的总功率为：Ptotal=6x0.350Ax3.25V=6.825W数据资料上所列出的从接合点到焊接点(Rthj-sp)的热阻值为8°C/W，最高接合点温度为145°C。所以，Tj=Ta+Ptotal(Rthj-sp/6+Rthsp-h+Rthh-a)在LED焊接点和散热片间的热阻值Rthsp-h取决于包括表面抛光度、平整度、所施加的安装应力、接触面积以及接口材料类型及其厚度在内的多种因素。如果有好的设计，那么它可以最低降至小于1°C/W。能够计算得出从散热片到外部环境的最大热阻(Rthh-a)。使用前面的等式，然后导出Rthh-a:Rthh-a=(145°C-55°C–8°C/Wx6.825W/6–1°C/Wx6.825W)/6.825W=10.85°C/W为了使得接合点的温度在最恶劣工作环境下低于145°C，我们必须选择从散热片到空气间热阻值低于10.85°C/W的散热片。也可以根据散热片制造商所公布的数据或者通过建模和检测来选择具有所需特性的散热片。九.LED散热的设计和选择为了设计和选择散热片，了解散热片的工作原理非常有益。如果热量从热源（如一个LED的接合点）通过散热片被传送到周围介质中，通常会经过以下四个连续步骤：1.从热源传送到散热片2.从散热片内部传导至其表面3.通过对流方式从散热片表面传送到周围介质中散热片的效率和性能是所采用的热量传输模式的一项功能。散热片为热量从LED传导流动提供了通道。“埋在”在散热片内的热量必须要移除，这样才能使能量从热源开始进行连续流动。如果热量一直“埋在”散热片里，那么温度将上升，这最终会导致热源温度过高。散热片能够以下列三种方式释放能量：传导（从一个固体传导到另一个固体）、对流（热量从一个固体转移到一种流体，对于大多数LED应用来说这种流体是空气）或者辐射（热量从两个具有不同表面温度的物体通过电磁波方式传输）。散热片热辐射是表面抛光度的一项功能，尤其是在散热片温度较高时。涂漆的表面比光亮但没有着漆的表面拥有更好的热辐射性能。效果最显著的是平板式散热片，这种散热片有大约三分之一的热量都通过辐射移除。所用的漆色相对来说并不重要。与同样规格的表面粗糙且涂黑色漆的散热片相比,涂白漆且表面光滑的平板式散热片的热阻只高出３%。对于翼式散热片，涂漆就不那么有效了，这是因为从大多数翼片所辐射出来的热能最终会落在临近的翼片上，尽管如此，涂漆仍然有其价值。阳极电镀和蚀刻将会降低热阻。在选择一个散热片时，设计者应当考虑一系列因素：表面积热传输只会发生在散热片的表面。所以，散热片在设计时应当拥有相对比较大的表面积。使用许多优质翼片或增加散热片尺寸规格，都能够达到这个目的。空气动力学特性散热片的设计需要要能使空气很容易且很快速地流通。有许多个相互间距小的优质散热翼片的散热片,可能不能使空气气流很好地流通。必须在高表面积（许多个相互间距小的翼片）和良好空气动力学特性间进行权衡。在散热片内部的热传输：如果热量不能到达它们，那么这些冷却翼片就是无效的。散热片设计应当使其允许足够的热量从热源传输到翼片。比较厚一点的翼片具有好的热传导性；所以必须要在在较大表面积（多个薄翼片）和良好热传输性（更厚的翼片）间实现平衡。所使用的材料对于散热片内部的热传输有着显著的影响。接触面积的平整性：和LED或PCB相接触的散热片部分必须绝对平整。平整的接触面允许使用一层更薄的热敏化合物层，它能够减少散热片和LED源间的热阻。安装方法：为了实现更好的热传输，散热片和热源间的压力必须比较高。散热片夹在设计时要考虑能够提供高压，同时很容易安装。通常带螺钉或弹簧的散热片固定架要比一般的夹子要更好。当不能使用夹子或螺钉时，只能使用热传导膏体或胶带。十.热分析中常用的软件十一.其他新型散热技术十二.如何测量LED节温谢谢聆听！