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如何进行LED热量管理?从静态冷却、瞬态冷却两方面解析

导读: 为了确保可靠的固态照明产品开发,GILES HUMPSTON在本文中解释了冷却LED并为热路径仿真建模的复杂性。

LED是复杂的设备。LED不仅存在与半导体设计和操作相关的常见问题,而且LED主要用于发光。因此,光学涂层、光束管理装置如反射器和透镜、波长转换荧光体等存在进一步的系统复杂性。尽管如此,热量管理对于可靠的固态照明(SSL)产品而言至关重要。此外,您需要了解如何在静态和瞬态背景下冷却LED。

对于LED,需要遵守两个热管理参数。一个是所需的工作温度,另一个是最高工作温度。通常,所需的工作温度需要尽可能低。实现这一点可以确保高电光效率、良好的光谱质量和长的器件寿命。在高温下操作不仅会降低LED产生的光,而且质量和数量方面也会降低,最终会触发许多故障机制。

LED制造商对这些缺陷很精通,能够设计出高达130°C结温的产品。由于LED封装的热阻,印刷电路板(PCB)的温度约小10°C。假如高于额定结温,每上升10°C,LED寿命约减一半。

将电子转换为声子,LED效率相对较低。高亮度白光LED可以达到40%的效率,而UVC LED可能只有5%的效率。在这两种情况下,必须通过传导去除剩余的热量以防止过热。这是LED光源或照明设计师的责任。

静态冷却LED

将LED保持冷却的常规方法是将LED器件安装在散热器上。来自LED的热量通过传导进入散热器,然后散发到空气中。假如热量被水或其他流体除去,散热器有时被称为冷板,因为相关联的散热系统经常要设计工作流体处于低于室内环境的固定温度。

从LED到散热片能否有效运输热量取决于高导热性的材料。 例如,从图1的图表中可以看出,铜优于铝和黄铜,又优于不锈钢。

图1. 材料具有不同程度的导热性。

虽然铜在这些金属中是最佳的热导体,但是导热系数与材料的厚度无关。通过材料传导传递热量的能力主要跟热阻有关,厚度越厚,热阻越大。

电介质和气流

例如,中高功率LED阵列通常建立在导热PCB上。在顶面,有铜板与LED进行电连接,而在下面有一块铝来传导热量。在铜和铝之间有一电介质层,以防止铜板对铝的电短路。各制造商在选择介电材料方面采取了不同的方法,从有机材料到无机化合物,涵盖了整个光谱。如图2所示,热电阻最小的电介质材料几乎是一个数量级的,可以应用最薄的电介质材料,同时仍能提供所需的绝缘隔离。

图2. 电介质材料的厚度会影响耐热性。

但是,图2并没有说明全部。假设该装置是用空气冷却的,在LED和散热片之间的热路径中将有许多界面。一些由焊料桥接,一些由粘合剂桥接,其他将被压在一起(例如使用螺丝)。这些接合处对热传导带来了额外的障碍,其大小可能很大、难以预测、并随时间而变化。

系统中所有热阻和界面电阻的串联/并行加法称为热阻抗,设计导通路径以保持LED冷却。计算类似于电阻网络。在图3中,电压本质上就是温度,电流是热通量,所得电阻是热阻。

图3. 在开发工作中,您可以依赖于热传导路径的等效电阻。为了得到一个完整的热阻抗系统模型,必须在材料之间的每个过渡处添加热界面电阻。

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