LED散热计算公式详解..

大功率LED的散热问题：LED是个光电器件，其工作过程中只有15%～25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。

在大功率LED中，散热是个大问题。

例如，1个10W白光LED若其光电转换效率为20%，则有8W的电能转换成热能，若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温（TJ）上升超过最大允许温度时（一般是150℃），大功率LED会因过热而损坏。

因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。

另外，一般功率器件（如电源IC）的散热计算中，只要结温小于最大允许结温温度（一般是125℃）就可以了。

但在大功率LED散热设计中，其结温TJ要求比125℃低得多。

其原因是TJ对LED的出光率及寿命有较大影响：TJ越高会使LED的出光率越低，寿命越短。

K2系列白光LED的结温TJ与相对出光率的关系。

在TJ=25℃时，相对出光率为1；TJ=70℃时相对出光率降为0.9；TJ=115℃时，则降到0.8了。

：TJ=50℃时，寿命为90000小时；TJ=80℃时，寿命降到34000小时；TJ=115℃时，其寿命只有13300小时了。

TJ在散热设计中要提出最大允许结温值TJmax,实际的结温值TJ应小于或等于要求的TJmax,即TJ≤TJmax。

大功率LED的散热路径.大功率LED在结构设计上是十分重视散热的。

图2是Lumiled公司K2系列的内部结构、图3是NICHIA公司NCCW022的内部结构。

从这两图可以看出：在管芯下面有一个尺寸较大的金属散热垫，它能使管芯的热量通过散热垫传到外面去。

大功率LED是焊在印制板（PCB）上的，如图4所示。

散热垫的底面与PCB 的敷铜面焊在一起，以较大的敷铜层作散热面。

为提高散热效率，采用双层敷铜层的PCB，其正反面图形如图5所示。

这是一种最简单的散热结构。

热是从温度高处向温度低处散热。

大功率LED主要的散热路径是：管芯→散热垫→印制板敷铜层→印制板→环境空气。

若LED的结温为TJ，环境空气的温度为TA,散热垫底部的温度为Tc（TJ＞Tc＞TA），散热路径如图6所示。

在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。

若管芯传导到散热垫底面的热阻为RJC（LED的热阻）、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气的热阻为RBA,则从管芯的结温TJ传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为：RJA=RJC+RCB+RBA各热阻的单位是℃/W。

可以这样理解：热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。

如果LED的散热垫与PCB的敷铜层采用回流焊焊在一起，则RCB=0，则上式可写成：RJA=RJC+RBA散热的计算公式若结温为TJ、环境温度为TA、LED的功耗为PD,则RJA与TJ、TA及PD的关系为：RJA=（TJ－TA）/PD (1)式中PD的单位是W。

PD与LED的正向压降VF及LED的正向电流IF的关系为：PD=VF×IF (2)如果已测出LED散热垫的温度TC，则(1)式可写成：RJA=(TJ－TC)/PD+(TC－TA)/PD则RJC=(TJ－TC)/PD (3)RBA=(TC－TA)/PD (4)在散热计算中，当选择了大功率LED后，从数据资料中可找到其RJC值；当确定LED的正向电流IF后，根据LED的VF可计算出PD；若已测出TC的温度，则按（3）式可求出TJ来。

在测TC前，先要做一个实验板（选择某种PCB、确定一定的面积）、焊上LED、输入IF电流，等稳定后，用K型热电偶点温度计测LED的散热垫温度TC。

在（4）式中，TC及TA可以测出，PD可以求出，则RBA值可以计算出来。

若计算出TJ来，代入（1）式可求出RJA。

这种通过试验、计算出TJ方法是基于用某种PCB及一定散热面积。

如果计算出来的TJ小于要求（或等于）TJmax，则可认为选择的PCB及面积合适；若计算来的TJ大于要求的TJmax，则要更换散热性能更好的PCB，或者增加PCB的散热面积。

另外，若选择的LED的RJC值太大，在设计上也可以更换性能上更好并且RJC值更小的大功率LED，使满足计算出来的TJ≤TJmax。

这一点在计算举例中说明。

各种不同的PCB目前应用与大功率LED作散热的PCB有三种：普通双面敷铜板（FR4）、铝合金基敷铜板（MCPCB）、柔性薄膜PCB用胶粘在铝合金板上的PCB。

MCPCB的结构如图7所示。

各层的厚度尺寸如表3所示。

其散热效果与铜层及金属层厚如度尺寸及绝缘介质的导热性有关。

一般采用35μm铜层及1.5mm铝合金的MCPCB。

柔*PCB粘在铝合金板上的结构如图8所示。

一般采用的各层厚度尺寸如表4所示。

1～3W星状LED采用此结构。

采用高导热性介质的MCPCB有最好的散热性能，但价格较贵。

计算举例这里采用了NICHIA公司的测量TC的实例中取部分数据作为计算举例。

已知条件如下：LED：3W白光LED、型号MCCW022、RJC=16℃/W。

K型热电偶点温度计测量头焊在散热垫上。

PCB试验板：双层敷铜板（40×40mm）、t=1.6mm、焊接面铜层面积1180mm2背面铜层面积1600mm2。

LED工作状态：IF=500mA、VF = 3.97V。

用K型热电偶点温度计测TC，TC=71℃。

测试时环境温度TA = 25℃.1.TJ计算TJ=RJC×PD+TC=RJC（IF×VF）+TCTJ=16℃/W（500mA×3.97V）+71℃=103℃2.RBA计算RJA=（TC－TA）/PD=（71℃－25℃）/1.99W=23.1℃/W3.RJA计算RJA=RJC+RBA=16℃/W+23.1℃/W=39.1℃/W如果设计的TJmax=90℃，则按上述条件计算出来的TJ不能满足设计要求，需要改换散热更好的PCB或增大散热面积，并再一次试验及计算，直到满足TJ≤TJmax为止。

另外一种方法是，在采用的LED的RJC值太大时，若更换新型同类产品RJC=9℃/W(IF=500mA时VF=3.65V)，其他条件不变，TJ计算为：TJ=9℃/W（500mA×3.65V）+71℃=87.4℃上式计算中71℃有一些误差，应焊上新的9℃/W的LED重新测TC（测出的值比71℃略小）。

这对计算影响不大。

采用了9℃/W的LED后不用改变PCB 材质及面积，其TJ符合设计的要求。

PCB背面加散热片若计算出来的TJ比设计要求的TJmax大得多，而且在结构上又不允许增加面积时，可考虑将PCB背面粘在"∪"形的铝型材上（或铝板冲压件上），或粘在散热片上，如图10所示。

这两种方法是在多个大功率LED的灯具设计中常用的。

例如，上述计算举例中，在计算出TJ=103℃的PCB背后粘贴一个10℃/W 的散热片，其TJ降到80℃左右。

这里要说明的是，上述TC是在室温条件下测得的（室温一般15～30℃）。

若LED灯使用的环境温度TA大于室温时，则实际的TJ要比在室温测量后计算的TJ要高，所以在设计时要考虑这个因素。

若测试时在恒温箱中进行，其温度调到使用时最高环境温度，为最佳。

再谈大功率散热问题的解决大功率LED灯是否能正常工作,灯珠的质量好坏,与大功率LED的散热有直接关系.现在大功率LED灯散热都是采用自然散热.效果并不理想. LED大功率灯由LED;散热结构;驱动器;透镜组成. 散热部分是一个很重要的部分. 散热的好坏直接影响大功率LED灯的使用寿命和条件。

1.关于金属散热基板，目前有铝基板和铜基板，作为专业制造的金属基板的厂家，建议大家采用性价比高的铝基板。

铜基板与铝基板的价格相差很多，铜基板在热的传导性方面是比铝要好，但成本与重量比铝高得多了,建议用铝基板。

再则现在有些大功率LED厂家在大功率LED灯具上加一温控开关，并设定其温度值，当此处温度高于该值时就降低电流。

缺点是灯光会暗一些,但是影响不打，故该办法还是可行的温度保护是必须的，产品不但需要同时也是对客户的负责。

那多少温度保护才合适呢？计算下吧。

最高环境温度，夏天40℃，在夏日光暴晒50℃，50℃环境温度是实际的，参见一般大功率LED规格书结温度在120℃是可以承受的，芯片到铝基板的热阻，规格书一般推荐10-15℃，那LED基板要保证在120-15=105℃。

好，保留温差取50--105℃中间值77.5℃，一般电子元器件工作温度在85℃是可靠的，77℃是符合这个原则的。

建议77℃开始启动保护，85℃前大幅度的减低电流，90℃彻底完成产品温度保护功能。

一个值得回味的问题：为何不在温度还没有升起来的时候就控制一个较小的电流？这样使用户也不会觉得不适，同时温度又不会升得很快，甚至不会达到过高的温度。

我觉得降低电流来减少发热，同时又不降低亮度是不现实的。

这样就有了1W和3W大功率LED灯珠共体这种做法。

也就是所在大功率温度升到一定的高的时候把大功率从3W降到1W那样就不会让温度继续上升，有效控制了大功率LED的温度问题。

总的来说：1.提高其发光效率。

现现高功率LED已达到50-70LM/W，发展的方向将达到140lm/W以致更高。

可以想象这将对热量问题从根本上改善。

2.加强散热。

这是目前情况下有效的解决手段。

我现在自已用的一个LED灯，用在床头照明用。

不过不是高功率型的。

是自已用白光LED做的。

一开始电流太大，总烧灯仔。

增加散热孔效果不很理想。

计算后发现其电流达到56mA(分两路，每路约28mA)。

后来重新计算了电流，更改元件，控制电流到15mA左右，热量有很大改观。

当然亮度也不一样。

我见过的方案是大功率路灯使用的，主要是使用铝基板，铜基板经济性差一点，不过可以增加铜导热管。

还有加风扇的，虽然风扇的寿命差一点，不过总比换LED划算，而且有两台风扇，采用温度保护，超温后逐渐开启2台风扇，然后还可以再在超温的同时关闭部分LED，以降低总功率，实际上和降低电流效果类似。

所谓大功率LED只是相对于以前的LED而言，实际功率并不是很大，一般只有1~2W。

在多的都是芯片叠加出来的，现在很多公司都在推出这种LED，你只要在电子工程专辑的网站上搜索一下LED，你会发现最近新推出的LED大都是大功率LED。

当LED的电流小于150mA是为小功率的LED(又叫LED).当流过LED的电流大于150mA时称为功率LED(HBLED).也可以考虑热管导热,有液态单相和液态/气态两相。

如果功率大了，这种就一定要用。

CPU散热现在已经开始使用了。

LED散热也偶然见到有人用。

摘要：考虑热导率与散热方式的影响，使用大型有限元软件ANSYSl0.0模拟并分析了大功率LED热分布。

通过分析不同封装、热沉材料及散热方式对LED热分布与最大散热能力的影响，指出解决LED散热问题的关键不是寻找高热导率的材料，而是改变LED的散热结构或者散热方式。