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LED熱控制技術(shù)中散熱器的選擇

作者: 時間:2012-06-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

當高亮度的前向電流增加而封裝尺寸減小,熱逸散及災難性故障的潛在也隨之增加。在眾多應用中,由于極端的高溫環(huán)境,需要更高級別的保護。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/167932.htm

  熱折返是減少故障及避免因為過熱而導致LED壽命縮短的常用方法。這種方法使用一個與溫度成反比的信號,在設(shè)置溫度斷點后降低LED的電流。

以下介紹兩個例子:一個100W路燈應用和一個12W的軍用手電筒應用。這兩個實例介紹了較為復雜的系統(tǒng)與較為簡單的系統(tǒng)間的區(qū)別及各自的設(shè)計流程。

  背景

  在使用大功率LED的傳統(tǒng)照明應用中,需要大的來排出LED所釋放的熱量。LED自身不散熱,相反,它們通過半導體結(jié)點來傳導熱量。此傳導功率(PD)等于前向電壓(VF)和前向電流(IF)的乘積。

  PD=VF×IF

  為了保持一個安全的LED結(jié)點溫度,必須消除這個傳導功率。需要對系統(tǒng)中的熱阻抗進行分析,才能在額定功率下定制一個以確保期望的熱特性 。

  一個典型的大功率LED將通過其器件、錫焊連接點、印刷電路板和來消耗大部分功率。如圖1所示。使用這個簡單的模型,計算就相當簡單。LED結(jié)點的功率耗散(PD),必須通過結(jié)點-環(huán)境的總熱阻(θJA)分配,這一點與電流通過電氣電阻時極其相像。

  由此產(chǎn)生的結(jié)點溫度(TJ)和環(huán)境溫度(TA)之間的溫度差(TJ-TA)等于一個電氣電壓(歐姆定律的熱當量):

  TJ-TA=PD×θJA

  θJA 指下列各值的總和。

  θJS:結(jié)點至錫焊點熱阻;

  θSH:錫焊點至散熱器熱阻;

  θHA:錫焊點至環(huán)境熱阻。

  θJS代表內(nèi)部的LED熱阻,而θSH代表印刷電路板(PCB)電介質(zhì)和結(jié)點熱阻。最后,θHA代表散熱器熱阻,θJS值為LED制造商數(shù)據(jù)表中指定值,并且是一個簡單的LED封裝函數(shù)。它可以在2~15℃/W的范圍內(nèi)變化。假如從錫焊點到散熱器的連接良好(包括:多重熱導通孔,適量的銅,良好的焊接和可能用到的導熱膠),θSH則基本上可以忽略不計。這將產(chǎn)生一個小于2℃/W的極低θSH值。

  θHA保持不變,因為它更多地取決于散熱器表面積及其導熱性能。在標準的FR4印刷電路板上(近似于LED的尺寸),沒有外部散熱器,僅有底部覆銅層,θHA值可能會非常大,超過100℃/W。通過圖1所示的外部散熱器,可降低熱阻來保持理想的溫度差 (TJ-TA)。熱設(shè)計需要根據(jù)下列θHA方程式,合適的散熱器:

  通過該方程可以很容易算出,如果功率增加或允許的溫度差降低,那么必要的熱阻將隨之降低,而這相當于需要一個更大的散熱器。

  實際應用中 ,在系統(tǒng)使用壽命期內(nèi),由于存在前向電壓及其他電子偏差,輸出LED功率會增加5%~10%前向??赡艿臏囟壬仙秶韪鶕?jù)最差情況下預計的TA值計算。此外,在制造商規(guī)定的規(guī)格中,通常會降低最大允許的TJ值,以確保LED使用壽命和效率不會降低 。這些容差迫使我們提升最壞情況下的散熱設(shè)計標準,要比標定時提高25%~50%。

  LED驅(qū)動器

  這些LED僅僅是具有LED驅(qū)動器主控機制的動態(tài)系統(tǒng)的組成之一。高亮度LED驅(qū)動器通常是通過開關(guān)轉(zhuǎn)換器支持其工作。轉(zhuǎn)換器對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)以提供一個近似于恒定的LED光通量輸出。驅(qū)動器可適應不斷變化的動態(tài)情況,提供連續(xù)調(diào)節(jié),保證系統(tǒng)電氣穩(wěn)定性。在最常見的LED驅(qū)動器中,需要對輸出電流進行調(diào)節(jié),因為它與輸出通量有著密切的關(guān)系并易于做出調(diào)整。

  盡管電氣穩(wěn)定性是方案的根本,但熱平衡是可控變量(LED電流)和不可控變量(環(huán)境)的函數(shù)。隨著環(huán)境溫度從25℃的室溫增高時,LED的前向電壓降低。因為電流被不斷調(diào)整,因此功率降低,最終達到實現(xiàn)結(jié)點熱平衡的目的。但最終環(huán)境溫度的升高會導致結(jié)溫超過LED的安全工作范圍。此時,LED內(nèi)的各種元件性能降低、惡化,最終導致熱逸散和災難性的LED故障。


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