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如何計算照明應用程序中的LED結溫

電子設計 ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設計 ? 2019-02-15 08:09 ? 次閱讀
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操作高于制造商建議的最高溫度的LED會降低設備的效率和光輸出,并可能導致過早失效。 LED的熱點定義為形成二極管的p型和n型半導體之間的結。本文使用示例照明應用程序來說明如何計算LED的結溫并確定它是否可能超過指定的上限。

計算LED結溫

LED通過重新組合LED結點處或附近的電荷載流子(電子和空穴)將電能轉換為光(圖1)。不幸的是,即使LED相對有效,所消耗的電能的大約65%至75%仍然產生熱量而不是光,從而提高了芯片的溫度。

如何計算照明應用程序中的LED結溫

圖1:電荷載體在LED的連接處結合,產生一些光和大量的熱量。但是,高亮度LED有多熱?讓我們看看如何使用簡單的計算確定結溫。

給定功率輸入達到的最高結溫(T j )取決于三個因素:環(huán)境溫度,LED結與其周圍環(huán)境之間的熱阻以及芯片消耗的功率。1

為了便于計算,我們假設環(huán)境溫度(T a )為23攝氏度(°C)。 (請注意,全面的設計計算應考慮LED在正常工作中將遇到的最高環(huán)境溫度的最壞情況。)較低的環(huán)境溫度會降低結溫并延長LED的使用壽命。這使得LED照明成為某些應用的理想選擇,例如冷藏食品展示柜。

熱阻(R th )定義為每單位功耗(°C/W)的元件溫度升高。它是導熱系數(shù)的倒數(shù)。金屬通常具有低熱阻并且形成有效的散熱器,而空氣,塑料和木材是不良的熱導體并且制造有效的絕緣體。

LED照明組件的簡化模型可以是兩個串聯(lián)元件,總熱阻是每個元件的總和。第一個元件是從封裝(j)到支撐襯底上的焊點(sp)的LED封裝(R th j-sp )。第二個元素是焊點和發(fā)光組件外部之間的熱阻的組合(即環(huán)境(a))(R th sp-a )。圖2顯示了這種安排的示意圖。

如何計算照明應用程序中的LED結溫

圖2:簡單LED照明組件的熱阻模型。 (禮貌:Cree)

LED結與環(huán)境之間的熱阻(R th ja )是這些電阻的總和:

如何計算照明應用程序中的LED結溫

電源LED消耗(P d )通過將LED的正向電壓(V f )乘以其正向電流(I f )來確定。

我們現(xiàn)在可以編寫任何給定LED的結溫公式:

如何計算照明應用程序中的LED結溫

一個示例計算

LED結點有多熱?讓我們將一些典型的值放入我們的等式中并找出答案。

首先,假設驅動器電路遠離LED,因此其熱量輸出不會影響芯片。 (這是LED制造商推薦的最佳做法。)第二,讓我們使用Cree XM-L Easy White LED作為光源的基礎。根據(jù)產品數(shù)據(jù)手冊,正向電流為350 mA,典型正向電壓為5.6 V.結點到焊點的熱阻(R th j-sp )在數(shù)據(jù)手冊中給出為2.5°C/W.

第三,我們需要記住,照明燈具包括幾個靠近的LED,以產生足夠的光輸出。通常,六到十個器件組合形成實際上是“大芯片”的器件,雖然具有多個結,但消耗的功率是單個器件的幾倍。例如,我們將考慮一個帶有六個LED的照明裝置,總功耗為11.76 W.此外,由于構成照明裝置的設備連接到一個焊點,它們的熱阻作用于平行。因此,該示例中的LED組的總熱阻為R th j-sp /6。然后總熱阻變?yōu)椋?/p>

如何計算照明應用程序中的LED結溫

R th sp-a 的值取決于許多因素,例如焊盤的平整度和表面光潔度其中LED連接到基板,基板本身以及組件外殼的特性。對于使用標準電子和工業(yè)材料的照明組件,并且無視任何熱管理技術,R th sp-a 通常在15至25°C/W的范圍內。對于我們的例子,讓我們采用20°C/W的中間值。

使用這些值,結溫的計算變?yōu)椋?/p>

如何計算照明應用程序中的LED結溫

Cree指定XM-L Easy White LED的最高結溫為150°C。因此,LED將在此配置中過熱,應考慮其他配置。

降低結溫

大功率LED制造商,如歐司朗,建議在焊點和環(huán)境溫度之間使用散熱片,以降低結溫。圖3顯示了一個帶有集成散熱器的LED照明燈具。

圖3:歐司朗的這款LED燈組件包括一個集成的散熱器。 (禮貌:歐司朗)

通過重新排列上面的公式(1),我們可以計算焊點到環(huán)境熱阻(R th sp-a )的大小,使得結溫是保持在制造商規(guī)定的最高溫度。

使用散熱片將組件的熱阻降低約10.5°C/W,使照明組件的總熱阻為10.8°C/W,使配置有六個LED可在安全范圍內運行。即使是最基本的散熱器也能夠應對這種配置。更復雜的設備可以使LED保持更冷,延長其使用壽命并使設備在更高的環(huán)境溫度下運行。

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