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2023-09-23
LED散热问题解决方案
【摘要】：本节将给出适用于LED的功率器件所具有的几个基本的热特性。对于简单的LED散热模型，认为pn结产生的全部热都通过芯片的底部消散。图5-11 母板上LED的散热模型示意图热阻Rj-a为热阻Rj-s、Rs-b、Rb-a的和。相反，用式（5-1）可实现另一种获取结温的方法，条件是已知热沉的热阻，LED制造商的技术数据表中给出了Rj-s的值。出于可靠性和性能的原因，目前LED器件的最大结温一般为150～180℃。
为了实现照明系统的热设计，可使用几种仿真工具：ANSYS、FLOWTERM、COMSOL等。本书不提供这些工具的详细使用方法，因为它们不是专门用于LED散热设计的，它们本身都可构成一章内容。
另一种方法是用红外照相机定性地宏观地描述照明系统的散热特性。这种方法的优点是通过主发热区的局域化定性地或半定性地比较各种封装方式。
本节将给出适用于LED的功率器件所具有的几个基本的热特性。这些特性可定性地结束热耗散现象并有助于第一个简单的设计计算。前一小节指出，照明系统的热阻Rj-a（K/W）由下式定义：
式中，Tj为pn结的温度；Ta为环境温度；Pd为消耗的热功率。对于简单的LED散热模型，认为pn结产生的全部热都通过芯片的底部消散。
实际上，这只是一个期望的目标，因为温度的剧烈升高会大大降低磷光体转换材料的效率，并使聚合物和透镜密封材料过早老化。
结（Tj）中产生的热功率首先通过芯片的衬底进行传导散热，随后热传递至支撑上的接合处以及热沉（Ts），再通过传导方式将热消耗于母板的接合面（Tb），最后通过对流和母板及系统的辐射传递至环境空气（Ta）中，如图5-11所示。
图5-11 母板上LED的散热模型示意图
热阻Rj-a为热阻Rj-s、Rs-b、Rb-a的和。所以LED器件（1级封装）通常由Rj-s定义。传导方式对Rj-s的贡献近似由式（5-2）确定，前提是知道密封材料及其尺寸和热特性。还可由试验确定Rj-s，保持热沉底部的温度为环境温度，同时测量结温和耗散功率。测量结温有两种方法：测量二极管的一次发射峰值或测量直流电压并参照事先执行的温度标定[SCH 04]。通过近似并已知输入电功率的80%以热的形式消耗，计算时可假设散热功率（Pd）等于输入的电功率，电功率为LED的电流和施加电压的乘积。相反，用式（5-1）可实现另一种获取结温的方法，条件是已知热沉的热阻，LED制造商的技术数据表中给出了Rj-s的值。
对于一个效率给定的照明系统，最大光输出受注入至器件的最大电功率的限制。出于可靠性和性能的原因，目前LED器件的最大结温一般为150～180℃。利用式（5-1）可明显发现最大电功率和最大光输出功率与总热阻Rj-a有直接关系；对于器件而言，则仅与器件的热阻Rj-s有关系。因此，可通过增强散热和减小Rj-s的方法来尽可能增加发射的光功率。然而，热阻的大小通常要与散热效果的优化进行折中。而且除了几种特殊的大功率照明系统应用之外，出于器件级成本和尺寸的考虑，使用有源散热系统或大型散热系统是不切实际的。
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