近年來，大功率LED發(fā)展較快，在結(jié)構(gòu)和性能上都有較大的改進，產(chǎn)量上升、價格下降；還開發(fā)出單顆功率為100W的超大功率白光LED。與前幾年相比較，在發(fā)光效率上有長足的進步。結(jié)合成本工藝優(yōu)勢，鋁合金散熱器成了LED散熱設計首選材料

    例如，Edison公司前幾年的20W白光LED，其光通量為700lm，發(fā)光效率為35lm/W。2007年開發(fā)的 100W白光LED，其光通量為6000lm，發(fā)光效率為60lm/W。又例如，Lumiled公司最近開發(fā)的K2白光LED，與其Ⅰ、Ⅲ系列同類產(chǎn)品比較如表1所示。從表中可以看出：K2白光LED在光通量、最大結(jié)溫、熱阻及外廓尺寸上都有較大的改進。

    Cree公司新推出的XLamp XR～E冷白光LED，其最高亮度擋QS在350mA時光通量可達107～114lm。這些性能良好的大功率LED給開發(fā)LED白光照明燈具創(chuàng)造了條件。

前幾年，各種白光LED照明燈具主要是采用小功率Φ5白光LED來做的。如1～5W的燈泡、15～20W的管燈及40～60W的路燈、投射燈等。這些燈具使用了幾十到幾百個Φ5白光LED，生產(chǎn)工藝復雜、可靠性差、故障率高、外殼尺寸大，并且亮度不足。

    為改進上述缺點，這幾年逐步采用大功率白光LED來替代Φ5白光LED來設計新型燈具。例如，用18個2W的白光LED做成的街燈，若采用Φ5白光LED則要幾百個。另外，用一個1.25W的 K2系列白光LED，可做成光通量為65lm的強光手電筒，照射距離可達幾十米。若采用Φ5白光LED來做則是不可能的。

圖1 結(jié)溫TJ與相對出光率關(guān)系圖

用大功率LED做的燈具其價格比白熾燈、日光燈、節(jié)能燈要高得多，但它的節(jié)能效果及壽命比其他燈具也高的多。如果在路燈系統(tǒng)及候機大廳、大型百貨商場或超市、高級賓館大堂等用電大戶的公共場所全部采用LED燈具，其一次性投資較高，但長期的節(jié)電效果及經(jīng)濟性都是值得期待的。

   目前主要采用1～3W大功率白光LED作照明燈，因為其發(fā)光效率高、價格低、應用靈活。

   大功率LED的散熱問題

LED是個光電器件，其工作過程中只有15%～25%的電能轉(zhuǎn)換成光能，其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱是個大問題。例如，1個10W白光LED若其光電轉(zhuǎn)換效率為20%，則有8W的電能轉(zhuǎn)換成熱能，若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會急速上升，當其結(jié)溫（TJ）上升超過最大允許溫度時（一般是150℃），大功率LED會因過熱而損壞。因此在大功率LED燈具設計中，最主要的設計工作就是散熱設計。

    另外，一般功率器件（如電源IC）的散熱計算中，只要結(jié)溫小于最大允許結(jié)溫溫度（一般是125℃）就可以了。但在大功率LED散熱設計中，其結(jié)溫TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ對LED的出光率及壽命有較大影響：TJ越高會使LED的出光率越低，壽命越短。

圖2  K2系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1是K2系列白光LED的結(jié)溫TJ與相對出光率的關(guān)系曲線。在TJ=25℃時，相對出光率為1；TJ=70℃時相對出光率降為0.9；TJ=115℃時，則降到0.8了。

表2是Edison公司給出的大功率白光LED的結(jié)溫TJ在亮度衰減70%時與壽命的關(guān)系（不同LED生產(chǎn)廠家的壽命并不相同，僅做參考）。

圖3  NCCWO22的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在表2中可看出：TJ=50℃時，壽命為90000小時；TJ=80℃時，壽命降到34000小時；TJ=115℃時，其壽命只有13300小時了。TJ在散熱設計中要提出最大允許結(jié)溫 
  　　

圖4 LED與PCB焊接圖

大功率LED的散熱路徑.

　　大功率LED在結(jié)構(gòu)設計上是十分重視散熱的。圖2是Lumiled公司K2系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、圖3是NICHIA公司NCCW022的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從這兩圖可以看出：在管芯下面有一個尺寸較大的金屬散熱墊，它能使管芯的熱量通過散熱墊傳到外面去。

圖5 雙層敷銅層散熱結(jié)構(gòu)

　　大功率LED是焊在印制板（PCB）上的，如圖4所示。散熱墊的底面與PCB的敷銅面焊在一起，以較大的敷銅層作散熱面。為提高散熱效率，采用雙層敷銅層的PCB，其正反面圖形如圖5所示。這是一種最簡單的散熱結(jié)構(gòu)。

圖6 散熱路徑圖

熱是從溫度高處向溫度低處散熱。大功率LED主要的散熱路徑是：管芯→散熱墊→印制板敷銅層→印制板→環(huán)境空氣。若LED的結(jié)溫為TJ，環(huán)境空氣的溫度為TA,散熱墊底部的溫度為Tc（TJ＞Tc＞TA），散熱路徑如圖6所示。

在熱的傳導過程中，各種材料的導熱性能不同，即有不同的熱阻。若管芯傳導到散熱墊底面的熱阻為RJC（LED的熱阻）、散熱墊傳導到PCB面層敷銅層的熱阻為RCB、PCB傳導到環(huán)境空氣的熱阻為RBA,則從管芯的結(jié)溫TJ傳導到空氣TA的總熱阻RJA與各熱阻關(guān)系為：

　　RJA=RJC+RCB+RBA

　　各熱阻的單位是℃/W。

　　可以這樣理解：熱阻越小，其導熱性能越好，即散熱性能越好。

　　如果LED的散熱墊與PCB的敷銅層采用回流焊焊在一起，則RCB=0，則上式可寫成：

RJA=RJC+RBA

　　散熱的計算公式

　　若結(jié)溫為TJ、環(huán)境溫度為TA、LED的功耗為PD,則RJA與TJ、TA及PD的關(guān)系為：

　　RJA=（TJ－TA）/PD (1)

　　式中PD的單位是W。PD與LED的正向壓降VF及LED的正向電流IF的關(guān)系為：

　　PD=VF×IF (2)

　　如果已測出LED散熱墊的溫度TC，則(1)式可寫成：

　　RJA=(TJ－TC)/PD+(TC－TA)/PD

　　則RJC=(TJ－TC)/PD (3)

RBA=(TC－TC)/PD (4)

在散熱計算中，當選擇了大功率LED后，從數(shù)據(jù)資料中可找到其RJC值；當確定LED的正向電流IF后，根據(jù)LED的VF可計算出PD；若已測出TC的溫度，則按（3）式可求出TJ來。

在測TC前，先要做一個實驗板（選擇某種PCB、確定一定的面積）、焊上LED、輸入IF電流，等穩(wěn)定后，用K型熱電偶點溫度計測LED的散熱墊溫度TC。

在（4）式中，TC及TA可以測出，PD可以求出，則RBA值可以計算出來。

若計算出TJ來，代入（1）式可求出RJA。

這種通過試驗、計算出TJ方法是基于用某種PCB及一定散熱面積。如果計算出來的TJ小于要求（或等于）TJmax，則可認為選擇的PCB及面積合適；若計算來的TJ大于要求的TJmax，則要更換散熱性能更好的PCB，或者增加PCB的散熱面積。

另外，若選擇的LED的RJC值太大，在設計上也可以更換性能上更好并且RJC值更小的大功率LED，使?jié)M足計算出來的TJ≤TJmax。這一點在計算舉例中說明。

各種不同的PCB

目前應用與大功率LED作散熱的PCB有三種：普通雙面敷銅板（FR4）、鋁合金基敷銅板（MCPCB）、柔性薄膜PCB用膠粘在鋁合金板上的PCB。

　　MCPCB的結(jié)構(gòu)如圖7所示。各層的厚度尺寸如表3所示。

圖7 MCPCB結(jié)構(gòu)圖

其散熱效果與銅層及金屬層厚如度尺寸及絕緣介質(zhì)的導熱性有關(guān)。一般采用35μm銅層及1.5mm鋁合金的MCPCB。

柔性PCB粘在鋁合金板上的結(jié)構(gòu)如圖8所示。一般采用的各層厚度尺寸如表4所示。1～3W星狀LED采用此結(jié)構(gòu)。

　　采用高導熱性介質(zhì)的MCPCB有最好的散熱性能，但價格較貴。

圖8 散熱層結(jié)構(gòu)圖

計算舉例

　　這里采用了NICHIA公司的測量TC的實例中取部分數(shù)據(jù)作為計算舉例。已知條件如下：

　　LED：3W白光LED、型號MCCW022、RJC=16℃/W。K型熱電偶點溫度計測量頭焊在散熱墊上。

　　PCB試驗板：雙層敷銅板（40×40mm）、t=1.6mm、焊接面銅層面積1180mm2背面銅層面積1600mm2。

　　LED工作狀態(tài)：IF=500mA、VF= 3.97V。

按圖9用K型熱電偶點溫度計測TC，TC=71℃。測試時環(huán)境溫度TA= 25℃.

1.TJ計算

　　TJ=RJC×PD+TC=RJC（IF×VF）+TC

　　TJ=16℃/W（500mA×3.97V）

　　+71℃=103℃

圖9 TC測量位置圖

2.RBA計算

　　RJA=（TC－TA）/PD

　　=（71℃－25℃）/1.99W

　　=23.1℃/W

3.RJA計算

　　RJA=RJC+RBA

　　=16℃/W+23.1℃/W

=39.1℃/W

如果設計的TJmax=90℃，則按上述條件計算出來的TJ不能滿足設計要求，需要改換散熱更好的PCB或增大散熱面積，并再一次試驗及計算，直到滿足TJ≤TJmax為止。

　　另外一種方法是，在采用的LED的RJC值太大時，若更換新型同類產(chǎn)品RJC=9℃/W(IF=500mA時VF=3.65V)，其他條件不變，TJ計算為：

　　TJ=9℃/W（500mA×3.65V）+71℃

=87.4℃

上式計算中71℃有一些誤差，應焊上新的9℃/W的LED重新測TC（測出的值比71℃略小）。這對計算影響不大。采用了9℃/W的LED后不用改變PCB材質(zhì)及面積，其TJ符合設計的要求。

PCB背面加散熱片

　　若計算出來的TJ比設計要求的TJmax大得多，而且在結(jié)構(gòu)上又不允許增加面積時，可考慮將PCB背面粘在“∪”形的鋁型材上（或鋁板沖壓件上），或粘在散熱片上，如圖10所示。這兩種方法是在多個大功率LED的燈具設計中常用的。例如，上述計算舉例中，在計算出TJ=103℃的PCB背后粘貼一個10℃/W的散熱片，其TJ降到80℃左右。

　　鋁材 src="
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圖10 “∪”形鋁型材

這里要說明的是，上述TC是在室溫條件下測得的（室溫一般15～30℃）。若LED燈使用的環(huán)境溫度TA大于室溫時，則實際的TJ要比在室溫測量后計算的TJ要高，所以在設計時要考慮這個因素。若測試時在恒溫箱中進行，其溫度調(diào)到使用時最高環(huán)境溫度，為最佳。

另外，PCB是水平安裝還是垂直安裝，其散熱條件不同，對測TC有一定影響，燈具的外殼材料、尺寸及有無散熱孔對散熱也有影響。因此，在設計時要留有余地。

結(jié)束語

采用一定散熱面積的PCB、裝上LED的試驗板，在LED工作狀態(tài)下測出TC再計算的方法來作散熱設計是一種簡便、有效的方法，可以較好地設計出滿足結(jié)溫TJmax要求的散熱結(jié)構(gòu)（PCB材質(zhì)及面積）。

　　這種散熱設計方法除適用于大功率白光LED的照明燈具外，也適用于其他發(fā)光顏色的大功率LED燈具，如警示燈、裝飾燈等。