近年來,大功率LED發展較快,在結構和性能上都有較大的改進,產量上升、價格下降;還開發出單顆功率為100W的超大功率白光LED。與前幾年相比較,在發光效率上有長足的進步。例如,Edison公司前幾年的20W白光LED,其光通量為700lm,發光效率為35lm/W。2007年開發的100W白光LED,其光通量為6000lm,發光效率為60lm/W。又例如,Lumiled公司最近開發的K2白光LED,與其Ⅰ、Ⅲ系列同類產品比較如表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LED白光照明燈具創造了條件。
前幾年,各種白光LED照明燈具主要是採用小功率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,生產工藝複雜、可靠性差、故障率高、外殼尺寸大,並且亮度不足。為改進上述缺點,這幾年逐步採用大功率白光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,若採用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。若採用Φ5白光LED來做則是不可能的。
圖1 結溫TJ與相對出光率關係圖
用大功率LED做的燈具其價格比白熾燈、日光燈、節能燈要高得多,但它的節能效果及壽命比其他燈具也高的多。如果在路燈系統及候機大廳、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採用LED燈具,其一次性投資較高,但長期的節電效果及經濟性都是值得期待的。
目前主要採用1~3W大功率白光LED作照明燈,因為其發光效率高、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%的電能轉換成光能,其餘的電能幾乎都轉換成熱能,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若其光電轉換效率為20%,則有8W的電能轉換成熱能,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,只要結溫小於最大允許結溫溫度(一般是125℃)就可以了。但在大功率LED散熱設計中,其結溫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系列的內部結構
圖1是K2系列白光LED的結溫TJ與相對出光率的關係曲線。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的結溫TJ在亮度衰減70%時與壽命的關係(不同LED生產廠家的壽命並不相同,僅做參考)。
圖3 NCCWO22的內部結構
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溫值TJmax,實際的結溫值TJ應小於或等於要求的TJmax,即TJ≤TJmax。
圖4 LED與PCB焊接圖
大功率LED的散熱路徑.
大功率LED在結構設計上是十分重視散熱的。圖2是Lumiled公司K2系列的內部結構、圖3是NICHIA公司NCCW022的內部結構。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 雙層敷銅層散熱結構
大功率LED是焊在印製板(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,採用雙層敷銅層的PCB,其正反面圖形如圖5所示。這是一種最簡單的散熱結構。
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→印製板敷銅層→印製板→環境空氣。若LED的結溫為TJ,環境空氣的溫度為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傳導到環境空氣的熱阻為RBA,則從管芯的結溫TJ傳導到空氣TA的總熱阻RJA與各熱阻關係為:
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的敷銅層採用回流焊焊在一起,則RCB=0,則上式可寫成:
RJA=RJC+RBA
散熱的計算公式
若結溫為TJ、環境溫度為TA、LED的功耗為PD,則RJA與TJ、TA及PD的關係為:
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的關係為:
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後,從資料資料中可找到其RJC值;當確定LED的正向電流IF後,根據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,等穩定後,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方法是基於用某種PCB及一定散熱面積。如果計算出來的TJ小於要求(或等於)TJmax,則可認為選擇的PCB及面積合適;若計算來的TJ大於要求的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並且RJC值更小的大功率LED,使滿足計算出來的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的結構如圖7所示。各層的厚度尺寸如表3所示。
圖7 MCPCB結構圖
其散熱效果與銅層及金屬層厚如度尺寸及絕緣介質的導熱性有關。一般採用35μm銅層及1.5mm鋁合金的MCPCB。
柔性PCB粘在鋁合金板上的結構如圖8所示。一般採用的各層厚度尺寸如表4所示。1~3W星狀LED採用此結構。
採用高導熱性介質的MCPCB有最好的散熱性能,但價格較貴。
圖8 散熱層結構圖
計算舉例
這裡採用了NICHIA公司的測量TC的實例中取部分資料作為計算舉例。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: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,並再一次試驗及計算,直到滿足TJ≤TJmax為止。
另外一種方法是,在採用的LED的RJC值太大時,若更換新型同類產品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。採用了9℃/W的LED後不用改變PCB材質及面積,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,而且在結構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(或鋁板衝壓件上),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背後粘貼一個10℃/W的散熱片,其TJ降到80℃左右。
圖10 "∪"形鋁型材
這裡要說明的是,上述TC是在室溫條件下測得的(室溫一般15~30℃)。若LED燈使用的環境溫度TA大於室溫時,則實際的TJ要比在室溫測量後計算的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,其溫度調到使用時最高環境溫度,為最佳。
另外,PCB是水準安裝還是垂直安裝,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,在設計時要留有餘地