選擇性運算方式可改善LED燈具散熱的問題分析

時至今日，白色LED的熱分析仍舊是一門未完成的科學(xué)。大多數(shù)LED燈具和照明器制造商只能依賴于不充分、不準(zhǔn)確或模糊的數(shù)據(jù)來確定LED設(shè)備在相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的性能，這往往可能導(dǎo)致其散熱片設(shè)計過度工程化。

圖1.LED的定義

目前業(yè)內(nèi)通常使用功率轉(zhuǎn)換效率(WPE)方法來計算LED轉(zhuǎn)換為光輻射所需的功率，以及LED實際所產(chǎn)生的熱量。WPE的缺陷在于，同一產(chǎn)品類別中各個LED設(shè)備之間得出的結(jié)果差異甚大，使得燈具和照明器制造商很難對LED產(chǎn)品進行比較。而且，WPE通常也與操作環(huán)境有很大關(guān)系。我們將介紹一種簡單明了、基于輻射發(fā)光效率(LER)的LED發(fā)熱量計算方法。最先進、熒光轉(zhuǎn)換型白色LED的LER一般都保持恒定，因此照明器設(shè)計商可利用此公式來快速估計LED設(shè)備所產(chǎn)生的熱量。

圖2.WPE和LER的分布LED與散熱

在熱模擬實驗中，LED有時會被模擬成簡單的電阻式加熱器，所有將進入LED的電功率假定會轉(zhuǎn)換成熱量并反過來從照明器發(fā)散出去。但這一假設(shè)存在一個問題，那就是太過保守：高亮度熒光轉(zhuǎn)換型白色LED一般會將30%的傳入電功率轉(zhuǎn)換為光，而寶藍色LED的轉(zhuǎn)換功率可大大超過50%。因此，高亮度LED發(fā)熱所需的總功率通常低于進入LED的總電功率。

圖3.WPE與LER的比較

若這一降低的發(fā)熱容量被不適當(dāng)?shù)丶{入熱模擬中，預(yù)期的照明器內(nèi)部溫度將過高，因而將需要采用更復(fù)雜、成本更高的散熱片設(shè)計。這對于那些需要從小型PCB板和散熱片發(fā)散特定熱量(5W-10W)的應(yīng)用尤其重要，例如改造型的LED燈泡。要評估燈具或照明器的累計熱性能，設(shè)計商必須合理考慮傳入電功率將分別轉(zhuǎn)換為光和熱的比例有多少。

如今LED行業(yè)常用的WPE方法被定義為LED總輻射功率與傳入LED總電功率的比率。由于WPE取決于LED的標(biāo)稱通量和電壓，且是實際驅(qū)動電流及連接溫度的強函數(shù)，因此在同一個產(chǎn)品類別的不同LED設(shè)備之間得出結(jié)果差異較大。因而對于特定的LED產(chǎn)品類別而言，很難針對不同的驅(qū)動器條件、通量和電壓BIN組合定義一個典型的WPE值。

輻射發(fā)光效率

對比之下，進行LED應(yīng)用的熱評估時使用輻射發(fā)光效率(LER)比WPE更具信服力，前者可以量化光源的可見光發(fā)光效率。更具體地講，LER被定義為光源的總適應(yīng)光通量(流明)除以其總輻射功率(瓦特)。LED的LER值可以直接從輻射光譜功率分布(通常印于設(shè)備的數(shù)據(jù)表上)獲取，且與WPE不同的是，LER值不因標(biāo)稱通量和電壓或?qū)嶋H驅(qū)動電流和連接溫度而產(chǎn)生明顯變化。已知LER值的情況下，就可以通過以下公式計算出LED的總發(fā)熱量：

其中，菱形符號表示LER值，If表示驅(qū)動電流，Vf表示操作條件下的正向壓，Φv表示操作條件下的總發(fā)光通量。例如，對于一個典型LER值為300lm/Wrad的熒光轉(zhuǎn)換型白色LED，假設(shè)其驅(qū)動電流為1000mA，發(fā)光通量為300lm，正向壓為2.9V，那么根據(jù)上文公式就可以算出其總發(fā)熱量為1.9W。

當(dāng)前熒光轉(zhuǎn)換型白色LED生產(chǎn)工藝所取得的進步使同一產(chǎn)品類別LED的精確色點控制成為可能，因此LER值更為一致。事實上，例如飛利浦流明(Philips Lumileds)等制造商推出的最新照明級LED(3階MacAdam橢圓)已可實現(xiàn)極佳的顏色控制。這允許制造商定義一個針對特定CCT、可代表同一產(chǎn)品類別所有LED的典型LER值。