led结温影响.docx

设为首页 | 加入收藏 | 网站地图 首页 协会概况 协会活动 培训信息 资质认证 会员中心 信息反馈您现在的位置：上海半导体照明工程技术协会 热点新闻 技术交流正文内容 影响LED灯具结温因素的分析来源：上海合复新材料科技有限公司 发布时间：2011年03月23日 LED照明具有节能、环保、工作寿命长等特点，因而发展非常迅猛，发展潜力巨大。然而半导体照明（LED）虽然比白炽灯消耗的能量低很多，但目前LED芯片在工作时光电转化率仍然不高，只有20%-30%左右，大部分能量都转换为热能；另外，驱动电源在工作中也会产生一定的热量。通电以后，电源和LED芯片开始工作，不断产生热量 ，产生的热量首先传导给散热器，再由散热器将热量导出，然后通过散热器外表面通过自然对流和辐射等方式散发到环境中。最初，产生的热量大于散出的热量，LED的结温会不断升高，经过一段时间（约1-2小时），产热、散热达到平衡，LED的结温基本保持不变。如果LED的结温过高，会造成LED发生不可逆光衰，其寿命会降低甚至失效。那么，影响LED芯片结温的因素究竟有那些呢？首先LED灯具结温可由热阻公式R总=（Tj-T环）/W产推知：Tj=R总*W产+T环（式中TjLED结温，R总LED芯片到环境的总热阻，W产总的产热功率，T环环境温度）。从以上公式可以看出，影响LED结温的因素主要是产热、散热（热阻）和环境温度，具体地说,就是对于一个LED灯具，整体的产热功率越大、散热效果越差、环境温度越高，LED芯片的结温越高；反之，芯片的结温越低。下面我们分别就产热、散热和环境温度对LED结温的影响加以分析。1 产热对LED结温的影响 图1 LED灯具工作示意图首先我们分析一下LED灯具的构成，一般一个直流LED灯具主要包括灯罩，灯板（包括铝基板和灯珠），散热器，驱动电源、接口等，如图1示。其中只有灯珠里的发光芯片和电源在工作时产生热量。LED灯、驱动灯源在工作时，单位时间内产生的热量可以简单地认为分别与其功率成正比，基本是一个恒定值，与散热无关，可用以下公式表示：W产= W灯产+ W电产 W灯产=W灯*a W电产=W电*b 式中：W产LED灯具工作中单位时间内产生的总热量W灯产LED灯芯片工作中产生的总热量W电产驱动电源工作中产生的总热量W灯LED灯输入功率W电驱动电源自身的功率aLED灯产热系数（=100%-发光效率）b驱动电源产热系数从以上公式可以看出，影响LED灯具产热多少的因素主要是光源和驱动的功率及工作效率，下面我们分别就光源、驱动对LED的结温影响因素加以分析：1.1 LED光源对结温的影响（灯具结构一定，环境温度一定的情况下）：1.1.1 输入功率一定，芯片发光效率对LED结温的影响：由公式可知，LED灯的输入功率一定，芯片发光效率越高，产热越少，LED结温越低；反之，芯片发光效率越低，产热越多，LED结温越高。1.1.2 LED芯片发光效率一定，输入功率对结温的影响：由公式可知，芯片发光效率一定，LED输入功率越大，产热越多，LED结温越高；反之，LED输入功率越小，产热越少，LED结温越低。1.1.3 输出流明一定，LED芯片发光效率对结温的影响：输出流明一定，采用芯片发光效率高的灯珠，其输入功率会降低，同时公式中的系数a也减小，从公式可以看出LED灯产生的热量会减少，LED的结温也会相应较低，反之，LED的结温会相应较高。1.1.4 LED输入功率一定，芯片发光效率一定，灯珠的数量及分布对LED结温的影响：实际功率一定，芯片发光效率一定，LED产生的总热量是一定的，但灯板上灯珠的数量越多，灯珠越分散，单珠LED发热量越小，发热点越分散，单珠LED结温越低；反之，灯珠越少，发热点越集中，单珠LED结温越高。从另一个角度来说，对于一定结构的LED灯具，LED发光效率一定的情况下，增加灯珠的数量并保证灯珠在铝基板上分散均匀，可以在LED结温不变的情况下使LED输入功率增大，输出流明也增加；如果同时提高LED芯片的发光效率，效果会更加明显。1.2 驱动电源对LED结温的影响从公式可以看出，对于一定的LED灯板，驱动电源的自身功率越小、工作效率越高，工作中产生的热量越少，LED的结温越低；反之，驱动电源在工作中产生的热量越多，LED的结温就会越高。一般非隔离式电源比隔离式电源效率高，产热量少，同样条件下LED结温会降低；另外，如果采用交流LED光源，省掉驱动电源，效果可能会更好。2导热、散热对LED结温的影响驱动电源 LED灯具主要是通过散热器将热量导出并散发到环境中，从灯罩散发到环境的热量很少，为便于分析，在此忽略不计。在灯源、电源和环境一定的情况下，LED芯片结温的高低主要看LED等发热源到环境导热、散热的效果，影响导热、散热效果的主要因素是发热源到环境的热阻大小，热阻越大导热、散热越差，LED结温越高；热阻越小散热越好，LED的结温越低。芯片到环境的热阻包括LED灯珠（芯片到基板）本身的热阻，基板到散热器的热阻；驱动电源到散热器的热阻；散热器到环境的散热热阻等。总的热阻等于各部分热阻的总和相当于热阻的串联，用公式表示为：R总= R灯+R基+R电+R散总。下面对影响LED灯具的各部分的散热热阻因素加以分析。2.1 LED本身热阻的影响因素：LED本身热阻（R灯）是LED出厂时的一个参数，其大小与芯片热阻的大小，热通道的材料、架构以及封装工艺等有关。一般芯片的热阻越小，热通道材料的导热系数越大，通道环节越少、传热面积越大、距离越短，封装各环节的接触越紧密等，LED本身的热阻就越小；反之，LED本身的热阻就越大。2.2 铝基板到散热器之间热阻的影响因素：铝基板到散热器之间的热阻（R基）主要与铝基板本身热阻及铝基板与散热器的连接方式有关。一般采用铝基板与散热器直接相连比铝基板加过度铝板再与散热器相连的热阻要小；铝板、铝基板表面平整度越好热阻越小；铝基板与散热器之间连接越紧密热阻越小；铝基板与散热器接触面之间涂导热硅脂比不涂导热硅脂热阻要小；反之铝基板到散热器之间的热阻越大。2.3 散热器热阻的影响因素：散热器的热阻（R散总）是指散热器到环境的总热阻，包括散热器自身的导热热阻和散热器到环境的散热热阻两部分，即R散总=R导+R散。2.3.1 散热器本身导热热阻影响因素散热器本身导热热阻可用以下公式计算：R导=（T1-T2）/W产 式中R导散热器本身导热热阻T1散热器受热点的最高温度T2散热器外表面平均温度W产LED灯具工作中单位时间内产生的总热量另外，根据能量守恒定律，热平衡后单位时间内LED灯及驱动电源总产热与散热器身导出的热量是相等的，用公式表示为：W产=W导（热量从灯罩散出的很少，为便于分析，在此忽略不计），其中W产= W灯产+ W电产= W灯*a+ W电*b W导=s(T1-T2)/L 式中W导为散热器单位时间内导出的热量散热器材料导热系数s散热器平均传热面积L散热器热传导平均距离将公式、带入公式可知R导=（T1-T2）/W产=（T1-T2）/W导 = L/（s） 对于特定散热器L、s是一定的，因此对于特定散热器，散热器自身的导热热阻是一个定值，和电阻一样，是一个仅跟散热器本身参数有关的常数，它与散热器平均传热距离成正比，与散热器平均传热面积、散热器材料导热系数成反比。对于不同的散热器，散热器材料的导热系数越高，平均传热面积越大，平均传热距离越短，散热器的导热热阻越小；反之，散热器的导热热阻越大。2.3.2 散热器表面到环境的散热热阻影响因素散热器外表面向环境散热应该以对流为主，其次为热辐射，空气热传导很小可以忽略不计，因此散热器表面到环境空气的散热热阻R散包括对流热阻R流和辐射热阻R辐，其中对流热阻和辐射热阻相当于热阻的并联。在LED灯具产热、散热达到平衡以后，散热器散热热阻计算公式如下：R散=(T2-T3)/ W产 式中R散散热器表面到环境的散热热阻T2散热器外表面平均温度T3环境温度W产LED灯具工作中单位时间内产生的总热量在产热功率一定的情况下，影响散热热阻的主要因素是（T2-T3），而影响（T2-T3）的因素主要是对流和辐射，下面我们对对流和辐射的公式加以分析。单位时间内散热器对流及辐射散热公式如下：W流=c（T2-T3）S散 W辐=d(T42- T43)S散（式中T为绝对温度） 式中W流单位时间内散热器表面到环境的自然对流散出的热量W辐单位时间内散热器表面到环境的辐射散出的热量 c散热器表面空气自然对流系数d散热器表面材料辐射系数S散散热器外表面积根据能量守恒定律，LED灯产热、散热达到平衡后，单位时间内散热器和灯罩散出的热量与灯具产生的总热量相等，用公式表示为：W产=W导=W散=W流+W辐（热量从灯罩散出的很少，为便于分析，在此忽略不计），即W产=W灯产+ W电产=c(T2-T3)S散+d（T42- T43）S散。 在一定环境条件下，对于特定散热器而言，对流系数、辐射系数是一定的，散热面积也是一定的；对于恒定电源、恒定LED灯板，单位时间内产生的热量是一定的，即W产是一定的。那么由以上公式推导可知T2是一定的，故（T2-T3）也是一定的，因此由公式可知散热器表面到环境的散热热阻在一定条件下是一定的。但如果总的的产热功率增大（或减小），散热器外表面温度也会升高（或降低），分析一下辐射散热公式可以知道，散热器外表面温度T2升高（或降低）的比例小于产热功率增加（或减小）的比例；因此散热器外表面到环境空气的热阻与产热功率有关，产热功率增加，散热器表面到环境的热阻应该略减小，相反，产热功率降低，散热器表面到环境的热阻会略升高。另外，从公式可以看出，对于特定散热器，环境因素对散热器的热阻也有影响，如果环境自然通风加强，对流系数就会增大，T2会降低，即使环境温度T3不变，（T2-T3）也会相应减小，散热器的散热热阻也会减小。对于不同散热器，环境相同，在产热一定的情况下，由公式可知散热器的散热面积、辐射系数越大，（T2-T3）就越小，那么散热器的散热热阻就越小，散热器的外表面温度也越低；反之，散热器的散热热阻就越大，散热器的外表面温度也越高。2.3.3 散热器（到环境）的总热阻影响因素散热器的总热阻等于散热器本身导热热阻加上散热器表面到环境的散热热阻，散热器到环境的热阻可通过以下公式计算：R散总=R导+R散=(T1-T3)/W产 通过前面的分析可以看出，影响散热器到环境总热阻的因素可以概括如下： 散热器本身参数的影响：散热器平均传热距离越短，散热器热阻越小；散热器平均传热面积越大，散热器热阻越小；散热器材料导热系数越大，散热器热阻越小；散热器散热面积越大，散热器热阻越小；散热器表面材料的辐射系数越大，散热器热阻越小 散热器环境空气的自然对流系数的影响：同一散热器，在产热功率一定的情况下，散热器环境的自然对流系数越大，散热器热阻越小 产热功率的影响：同一散热器，在同样环境下，产热功率越大，散热器的热阻反而略有减小。需要说明的是，一般认为喷漆与否，漆膜的颜色对散热器的导热系数及辐射系数可能会产生一定的影响，但通过测试我们发现，对于一个特定形状的上海合复Therans导热塑料散热器，表面喷漆与否，漆膜的颜色等对散热器的热阻影响很小，甚至无法测出。3环境温度对LED芯片结温的影响从LED结温计算公式Tj=R总*W产+T环可以看出：对于特定LED灯具，R总、W产是一定的，因此环境温度升高，LED结温也会相应升高；相反，环境温度降低，LED结温也会降低。4结论通过上述分析，影响LED灯结温的因素主要是产热、散热和环境温度。具体地说:一、LED灯珠、驱动电源工作中产热功率的大小影响结温，产生的热量越多LED结温越高。二、LED芯片及其到散热器的热阻大小影响结温，热阻越小LED的结温越低；LED灯具散热器的导热热阻和散热热阻影响结温，散热器的总热阻越小LED的结温越低；即散热越好LED的结温越低。三、环境温度影响结温，环境温度越低LED的结温也越低。在实际应用过程中，要想LED的结温降低，可以通过选择合理的LED灯板、电源和散热器并合理的装配来实现。参考文献： 徐贵平大功率LED散热器导热、散热机理分析高工LED，2010-09 P7276徐贵平 孙庆兵 张明君大功率LED散热器高工LED，2011-03 P8488徐贵平上海合复新材料科技有限公司 研发经理 TE庆兵上海合复新材料科技有限公司 研发工程师 TE击数： 475 【字体：小 大】 【收藏】 【打印文章】 【查看评论】 接收回传 相关信息没有相关内容上一篇：LED灯具走向室内照明必将空间广阔 01-07 下一篇：2011光电科技论坛-不可不知的LED最新趋势及3D影像技术 04-02 热点导读 上海LED行业科技成果座谈会顺利召开 LED照明换灯潮起，换位思考勿踩“雷区” Green Lighting 2014中国（上海）国际半 协会二届三次理事会顺利召开 【理事会通知】协会二届三次理事会 LED人的中国梦：为了LED真正走近寻常百姓最新推荐 2012年国外LED光电类展会目