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              如何進(jìn)行LED熱量管理?從靜態(tài)冷卻、瞬態(tài)冷卻兩方面解析

              2017/10/19 9:47:40 作者: 來(lái)源:LED網(wǎng)
              摘要:為了確??煽康墓虘B(tài)照明產(chǎn)品開(kāi)發(fā),GILES HUMPSTON在本文中解釋了冷卻LED并為熱路徑仿真建模的復(fù)雜性。

                LED是復(fù)雜的設(shè)備。LED不僅存在與半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和操作相關(guān)的常見(jiàn)問(wèn)題,而且LED主要用于發(fā)光。因此,光學(xué)涂層、光束管理裝置如反射器和透鏡、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換熒光體等存在進(jìn)一步的系統(tǒng)復(fù)雜性。盡管如此,熱量管理對(duì)于可靠的固態(tài)照明(SSL)產(chǎn)品而言至關(guān)重要。此外,您需要了解如何在靜態(tài)和瞬態(tài)背景下冷卻LED。

                對(duì)于LED,需要遵守兩個(gè)熱管理參數(shù)。一個(gè)是所需的工作溫度,另一個(gè)是最高工作溫度。通常,所需的工作溫度需要盡可能低。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)可以確保高電光效率、良好的光譜質(zhì)量和長(zhǎng)的器件壽命。在高溫下操作不僅會(huì)降低LED產(chǎn)生的光,而且質(zhì)量和數(shù)量方面也會(huì)降低,最終會(huì)觸發(fā)許多故障機(jī)制。

                LED制造商對(duì)這些缺陷很精通,能夠設(shè)計(jì)出高達(dá)130°C結(jié)溫的產(chǎn)品。由于LED封裝的熱阻,印刷電路板(PCB)的溫度約小10°C。假如高于額定結(jié)溫,每上升10°C,LED壽命約減一半。

                將電子轉(zhuǎn)換為聲子,LED效率相對(duì)較低。高亮度白光LED可以達(dá)到40%的效率,而UVC LED可能只有5%的效率。在這兩種情況下,必須通過(guò)傳導(dǎo)去除剩余的熱量以防止過(guò)熱。這是LED光源或照明設(shè)計(jì)師的責(zé)任。

                靜態(tài)冷卻LED

                將LED保持冷卻的常規(guī)方法是將LED器件安裝在散熱器上。來(lái)自L(fǎng)ED的熱量通過(guò)傳導(dǎo)進(jìn)入散熱器,然后散發(fā)到空氣中。假如熱量被水或其他流體除去,散熱器有時(shí)被稱(chēng)為冷板,因?yàn)橄嚓P(guān)聯(lián)的散熱系統(tǒng)經(jīng)常要設(shè)計(jì)工作流體處于低于室內(nèi)環(huán)境的固定溫度。

                從LED到散熱片能否有效運(yùn)輸熱量取決于高導(dǎo)熱性的材料。 例如,從圖1的圖表中可以看出,銅優(yōu)于鋁和黃銅,又優(yōu)于不銹鋼?! ?/p>

              圖1. 材料具有不同程度的導(dǎo)熱性。

                雖然銅在這些金屬中是最佳的熱導(dǎo)體,但是導(dǎo)熱系數(shù)與材料的厚度無(wú)關(guān)。通過(guò)材料傳導(dǎo)傳遞熱量的能力主要跟熱阻有關(guān),厚度越厚,熱阻越大。

                電介質(zhì)和氣流

                例如,中高功率LED陣列通常建立在導(dǎo)熱PCB上。在頂面,有銅板與LED進(jìn)行電連接,而在下面有一塊鋁來(lái)傳導(dǎo)熱量。在銅和鋁之間有一電介質(zhì)層,以防止銅板對(duì)鋁的電短路。各制造商在選擇介電材料方面采取了不同的方法,從有機(jī)材料到無(wú)機(jī)化合物,涵蓋了整個(gè)光譜。如圖2所示,熱電阻最小的電介質(zhì)材料幾乎是一個(gè)數(shù)量級(jí)的,可以應(yīng)用最薄的電介質(zhì)材料,同時(shí)仍能提供所需的絕緣隔離。  

              圖2. 電介質(zhì)材料的厚度會(huì)影響耐熱性。

                但是,圖2并沒(méi)有說(shuō)明全部。假設(shè)該裝置是用空氣冷卻的,在LED和散熱片之間的熱路徑中將有許多界面。一些由焊料橋接,一些由粘合劑橋接,其他將被壓在一起(例如使用螺絲)。這些接合處對(duì)熱傳導(dǎo)帶來(lái)了額外的障礙,其大小可能很大、難以預(yù)測(cè)、并隨時(shí)間而變化。

                系統(tǒng)中所有熱阻和界面電阻的串聯(lián)/并行加法稱(chēng)為熱阻抗,設(shè)計(jì)導(dǎo)通路徑以保持LED冷卻。計(jì)算類(lèi)似于電阻網(wǎng)絡(luò)。在圖3中,電壓本質(zhì)上就是溫度,電流是熱通量,所得電阻是熱阻?! ?/p>

                圖3. 在開(kāi)發(fā)工作中,您可以依賴(lài)于熱傳導(dǎo)路徑的等效電阻。為了得到一個(gè)完整的熱阻抗系統(tǒng)模型,必須在材料之間的每個(gè)過(guò)渡處添加熱界面電阻。


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                瞬態(tài)冷卻LED

                先前的討論是假設(shè)在穩(wěn)定狀態(tài),即LED永久地通電并且散熱器將熱能連續(xù)地耗散到周?chē)諝庵?。這種熱模型在兩種情況下會(huì)出現(xiàn)故障。一種是在接通LED時(shí),更通常地是在脈沖操作中。令人驚訝的是,可以設(shè)計(jì)一條熱路徑,在連續(xù)工作時(shí)保持LED冷卻,但是在接通時(shí)會(huì)過(guò)熱。當(dāng)這樣操作時(shí),相關(guān)聯(lián)的熱偏移可能讓LED突然出現(xiàn)故障,類(lèi)似于鎢絲燈絲開(kāi)啟時(shí)突然斷裂一樣。因此,LED的熱解決方案設(shè)計(jì)需要考慮瞬態(tài)操作,并且包括時(shí)間和空間變量。

                時(shí)間依賴(lài)

                瞬態(tài)冷卻的時(shí)間分量是由于熱路徑中材料的比熱容量而產(chǎn)生的。這可以作為電容器添加到熱電阻的電氣模型中(圖4)。熱容量是指材料受熱(或冷卻)時(shí)吸收(或放出)熱量的性質(zhì)。熱容量的大小用比熱容(簡(jiǎn)稱(chēng)比熱)表示。  

                圖4. 熱傳導(dǎo)的時(shí)間依賴(lài)是由于系統(tǒng)中材料的熱容量而導(dǎo)致的,電等效模型是RC低通濾波器。

                電氣模型類(lèi)比意味著熱阻抗有時(shí)用于描述材料的時(shí)間相關(guān)的熱性質(zhì)。請(qǐng)注意,這時(shí)要注意區(qū)分,因?yàn)闊嶙杩挂部梢杂脕?lái)描述整個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)熱阻。

                空間依賴(lài)

                瞬態(tài)冷卻的空間分量源于熱量往哪個(gè)方向擴(kuò)散多一些。比如,一個(gè)安裝在大的薄金屬板上的LED。最初,整個(gè)板處于環(huán)境溫度。LED作為點(diǎn)熱源。在接通時(shí),LED會(huì)產(chǎn)生熱量,通過(guò)傳導(dǎo)將熱量傳遞到板中。熱量快速通過(guò)金屬板,提高了LED下方區(qū)域的溫度。因此,最先的時(shí)候,金屬板的一小部分是來(lái)冷卻LED的。金屬板的導(dǎo)電性意味著LED的一些熱量會(huì)在板內(nèi)橫向擴(kuò)展,最終出現(xiàn)在表面上(圖5所示)。因此,參與冷卻LED的金屬板的體積會(huì)隨時(shí)間而增加,導(dǎo)致熱阻和熱容量出現(xiàn)明顯改變?! ?/p>

                圖5. 一個(gè)熱體在薄金屬板上,這種簡(jiǎn)單的有限元熱模型通過(guò)參與冷卻的板材體積的變化表現(xiàn)空間依賴(lài)性。這些模型的計(jì)算按照從左上到右下時(shí)間增加來(lái)進(jìn)行的。

                當(dāng)路徑中存在高熱阻的界面或?qū)訒r(shí),空間依賴(lài)特別重要。通過(guò)采取措施就將熱量散布在該屏障之前最大的可能區(qū)域,這樣在穩(wěn)態(tài)和脈沖操作中,LED可以達(dá)到更好的冷卻。

                對(duì)流和輻射

                高于環(huán)境溫度的任何材料都會(huì)通過(guò)對(duì)流和輻射而失去熱量。雖然這些是鎢絲燈冷卻的主要機(jī)制,但它們?cè)贚ED的熱管理中起著很小的作用。但是,應(yīng)該將對(duì)流和輻射包括在任何模式中,目的是確保最接近現(xiàn)實(shí)情況。

                總之,LED必須被冷卻,以達(dá)到最佳的效率并確保其光輸出的穩(wěn)定和壽命??梢允褂没陔姎獠考哪P蛠?lái)構(gòu)造簡(jiǎn)單的熱傳導(dǎo)穩(wěn)態(tài)模型。但是,為了正確理解熱路徑,特別是在瞬態(tài)條件下的反應(yīng),最好使用可以適應(yīng)時(shí)間、空間和溫度變化的工具。

                熱傳導(dǎo)的時(shí)間和空間依賴(lài)性解釋了為什么在材料選擇方面存在層次結(jié)構(gòu)。高比熱容或熱導(dǎo)率會(huì)隨著材料在熱路徑中的位置和LED預(yù)期的操作模式而改變。


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