1、近年来，大功率 LED 发展较快，在结构和性能上都有较大的改进，产量上升、价格下降；还开发出单颗功率为 100W 的超大功率白光 LED。与前几年相比较，在发光效率上有长足的进步。例如，Edison 公司前几年的 20W 白光 LED，其光通量为 700lm，发光效率为 35lm/W。2007 年开发的 100W 白光 LED，其光通量为6000lm，发光效率为 60lm/W。又例如，Lumiled 公司最近开发的 K2 白光 LED，与其、系列同类产品比较如表 1 所示。从表中可以看出：K2 白光 LED 在光通量、最大结温、热阻及外廓尺寸上都有较大的改进。Cree 公司新推出的 XLamp
2、 XRE 冷白光 LED，其最高亮度挡 QS 在 350mA 时光通量可达 107114lm。这些性能良好的大功率 LED 给开发 LED 白光照明灯具创造了条件。前几年，各种白光 LED 照明灯具主要是采用小功率 5 白光 LED 来做的。如 15W 的灯泡、1520W 的管灯及 4060W 的路灯、投射灯等。这些灯具使用了几十到几百个 5 白光 LED，生产工艺复杂、可靠性差、故障率高、外壳尺寸大，并且亮度不足。为改进上述缺点，这几年逐步采用大功率白光 LED 来替代 5 白光 LED 来设计新型灯具。例如，用 18 个 2W 的白光 LED 做成的街灯，若采用 5 白光 LED 则要几百
3、个。另外，用一个 1.25W 的 K2 系列白光 LED，可做成光通量为 65lm 的强光手电筒，照射距离可达几十米。若采用 5 白光 LED 来做则是不可能的。图 1 结温 TJ 与相对出光率关系图用大功率 LED 做的灯具其价格比白炽灯、日光灯、节能灯要高得多，但它的节能效果及寿命比其他灯具也高的多。如果在路灯系统及候机大厅、大型百货商场或超市、高级宾馆大堂等用电大户的公共场所全部采用 LED 灯具，其一次性投资较高，但长期的节电效果及经济性都是值得期待的。目前主要采用 13W 大功率白光 LED 作照明灯，因为其发光效率高、价格低、应用灵活。大功率 LED 的散热问题LED 是个光电器件
4、，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（T J）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
5、125低得多。其原因是 TJ对 LED 的出光率及寿命有较大影响：T J越高会使 LED 的出光率越低，寿命越短。图 2 K2 系列的内部结构图 1 是 K2 系列白光 LED 的结温 TJ与相对出光率的关系曲线。在 TJ=25时，相对出光率为 1；T J=70时相对出光率降为 0.9；T J=115时，则降到 0.8 了。表 2 是 Edison 公司给出的大功率白光 LED 的结温 TJ在亮度衰减 70%时与寿命的关系（不同 LED 生产厂家的寿命并不相同，仅做参考）。图 3 NCCWO22 的内部结构在表 2 中可看出：T J=50时，寿命为 90000 小时；T J=80时，寿命降到
6、34000 小时；T J=115时，其寿命只有 13300 小时了。T J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 TJT Jmax。图 4 LED 与 PCB 焊接图大功率 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。图 5 双层敷铜层散热结构大功率 LED 是焊在印制板（PCB）上的，如图 4 所示。散热
7、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。图 6 散热路径图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（T JT cT A），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、P CB传导到环境空气的热阻为 RB
8、A,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、T A及 PD的关系为：RJA=（T JT A）/P D (1)式中 PD的单位是 W。P D与 LED 的正向压降 VF及 LED 的正向电流 IF的关系为：PD=VFIF (2)如果已测出 LED 散热垫的温
9、度 TC，则(1)式可写成：RJA=(TJT C)/PD+(TCT A)/PD 则 RJC=(TJT C)/PD (3)RBA=(TCT C)/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，T C及 TA可以测出，P D可以求出，则 RBA值可以计算出来。若
10、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 TJT Jmax。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
11、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。图 7 MCPCB 结构图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 35m 铜层及 1.5mm 铝合金的MCPCB。柔性 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。13W 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。图 8 散热层结构图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、R
12、 JC=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（4040mm）、t=1.6mm、焊接面铜层面积 1180mm2 背面铜层面积 1600mm2。LED 工作状态：I F=500mA、V F = 3.97V。按图 9 用 K 型热电偶点温度计测 TC，T C=71。测试时环境温度 TA = 25. 1.TJ 计算TJ=RJCPD+TC=RJC（I FVF）+T CTJ=16/W（500mA3.97V）+71=103图 9 TC测量位置图2.RBA 计算RJA=（T CT A）/P D=（7125）/1.99W=23.1/W3.RJA 计算RJA=RJC+RBA
13、=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 TJT Jmax 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(I F=500mA 时 VF=3.65V)，其他条件不变，T J计算为：TJ=9/W（500mA3.65V）+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
14、，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。图 10 “”形铝型材这里要说明的是，上述 TC是在室温条件下测得的（室温一般 1530）。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。另外，PCB 是水平安装还是垂直安装，其散热条件不同，对测 TC有一定影响，灯具的外壳材料、尺寸及有无散热孔对散热也有影响。因此，在设计时要留有余地。结束语采用一定散热面积的 PCB、装上 LED 的试验板，在 LED 工作状态下测出 TC再计算的方法来作散热设计是一种简便、有效的方法，可以较好地设计出满足结温 TJmax 要求的散热结构（PCB 材质及面积）。
