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

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LED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。

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。

圖3. 在開(kāi)發(fā)工作中，您可以依賴于熱傳導(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。

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

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)稱比熱)表示。

圖4. 熱傳導(dǎo)的時(shí)間依賴是由于系統(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

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。

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。可以使用基于電氣部件的模型來(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。