LED灯珠散热计算方法及公式

LED的热量管理ThermalManagementConsiderationsforLEDs

2023/7/311LED是冷光源吗？一、热对LED的影响（1）LED的发光原理是电子与空穴经过复合直接发出光子，过程中不需要热量。LED可以称为冷光源。

（2）LED的发光需要电流驱动。输入LED的电能中，只有约15%有效复合转化为光，大部分（约85%）因无效复合而转化为热。

（3）LED发光过程中会产生热量，LED并非不会发热的冷光源。

2023/7/3122.热对LED性能和结构的影响

其中：Фv（Tj1）=结温Tj1时的光通量Фv（Tj2）=结温Tj2时的光通量ΔTj=Tj2-Tj1k=温度系数

LED电致发光过程产生的热量和工作环境温度（Ta）的不同，引起LED芯片结温Tj的变化。LED是温度敏感器件，当温度变化时，LED的性能和封装结构都会受到影响，从而影响LED的可靠性。

(1)

光通量与温度的关系①光通量Фv与结温Tj的关系Фv（Tj2）=Фv（Tj1）e-kΔTj2023/7/313AlInGaP类LED光输出与结温关系图相对光输出Tj（℃）橙红色黄色红色InGaN类LED光输出与结温关系图相对光输出绿色蓝绿色蓝色白色深蓝色Tj（℃）2023/7/314②光通量与环境温度的关系

Ta（℃）相对光通量橙红色黄色Ta=100℃时，LED的光通量将下降至室温时的一半左右。LED的应用必须考虑温度对光通量的影响。

2023/7/315(2)波长与结温Tj的关系

λd（Tj2）=λd（Tj1）+kΔTj白光LED色温—结温飘移曲线Tj（℃）CCT(K)白色k=Δλ/ΔTj:LED波长-结温飘移率2023/7/316(3)正向压降Vf结温Tj的关系

Vf（Tj2）=Vf（Tj1）+kΔTj

k=ΔVf/ΔTj：正向压降随结温变化的系数，通常取-2.0mV/℃.

2023/7/317(4)热对发光效率ηv的影响

在输入功率一定时：热量↑结温Tj↑正向压降Vf↓电流If↑热量发光效率ηv

LED内部会形成自加热循环，如果不及时引导和消散LED的热量，LED的发光效率将不断降低。

(5)热对LED出光通道的影响加速出光通道物质的老化；降低通道物质的透光率；改变出光通道物质的折射率，影响光线的空间分布；严重时改变出光通道结构。

2023/7/318(6)热对LED电通道（欧姆接触/固晶界面）的影响

环氧树脂热膨胀系数随温度变化曲线

引致封装物质的膨胀或收缩；

封装物质的膨胀或收缩产生的形变应力，使欧姆接触/固晶界面的位移增大，造成LED开路和突然失效。

2023/7/319(7)热对LED寿命的影响

不同温度下AlInGaPPowerLED老化测试结果测试时间（小时）相对光输出实际数据外推数据实际数据外推数据实际数据外推数据不同温度下InGaNPowerLED老化测试结果实际数据外推数据实际数据外推数据实际数据外推数据测试时间（小时）相对光输出12023/7/3110二、LED的热工模型1.LED热量的来源

输入的电能中（约85%）因无效复合而产生的热量；来自工作环境的热量。

2.LED的热工模型

LED芯片很微小，其热容可忽略；输入电能中大部分（约85%）转化为热量，一般计算中忽略转化为光的部分能量（约15%），假设所有的电能都转变成了热；在LED工作热平衡后，

Tj=Ta+RthjaPd

其中Rthja=LED的PN结与环境之间的热阻;Pd=

If

·Vf：LED的输入功率。

2023/7/3111三、LED热阻的计算

1.热阻的概念

热阻：热量传导通道上两个参考点之间的温度差与两点间热量传输速率的比值。

其中：Rth=两点间的热阻（℃/W或K/W）ΔT=两点间的温度差（℃）qx=两点间热量传递速率（W）

热传导模型的热阻计算其中：L为热传导距离（m）S为热传导通道的截面积（m2）λ为热传导系数（W/mK）ST2T1L2023/7/3112LED的热阻计算

(LED工作热平衡后Tj=Ta+ΔTj)

2023/7/31132.分立LED热阻的计算模型LED热通道上各环节都存在热阻，热通道的简化热工模型是串联热阻回路。

jabsRthjsRthsbRthbajsbRthja=Rthjs+Rthsb+Rthba

2023/7/3114TjTsRthjsRthsb3.集成LED阵列热阻的计算模型TbTaRthba集成LED（假定热阻一致）阵列热阻利用并联阻抗模型计算：

2023/7/31154.几种常见的1W大功率LED的热阻计算以Emitter（1mm×1mm芯片）为例，只考虑主导热通道的影响，从理论上计算PN结到热沉的热阻Rthjs。

2023/7/3116A.正装芯片/银胶固晶

B.正装芯片/共晶固晶

2023/7/3117C.Si衬底金球倒装焊芯片/银胶固晶

D.Si衬底金球倒装焊芯片/共晶固晶

2023/7/3118F.AlN衬底共晶倒装芯片/共晶固晶

E.AlN衬底共晶倒装芯片/银胶固晶

2023/7/3119从以上计算可见：①固晶工艺对LED热阻有较大影响；②倒装芯片在导热上比正装芯片稍优；③正装芯片/共晶固晶在导热上并不比倒装芯片差；④目前实际制造的LED成品热阻Rthjs比以上理论计算高出1倍左右，说明制造工艺水平还有很大的提升空间。

2023/7/31205.几种常见LED的热阻参考值6.热阻对光输出饱和电流的影响相对光通量输入电流（mA）热阻值越大，光输出越容易饱和，饱和电流点越低。

2023/7/3121四、LED热阻的测量

1.理论依据半导体材料的电导率具有热敏性，改变温度可以显著改变半导体中的载流子的数量。禁带宽度通常随温度的升高而降低，且在室温以上随温度的变化具有良好的线性关系。可以认为半导体器件的正向压降与结温是线性变化关系。

ΔVf=kΔTj

（K：正向压降随温度变化的系数）

只要监测LED正向压降Vf的改变，便可以确定其热阻。

2023/7/31222.电压法测量LED热阻（1）测量LED温度系数k

①将LED置于温度为Ta

的恒温箱中足够时间至热平衡，Tj1=

Ta

；②用低电流（可以忽略其产生的热量对LED的影响）If’=1mA,快速点测LED的Vf1；③将LED置于温度为Ta’(Ta’>Ta)的恒温箱中足够时间至热平衡，Tj2=

Ta’；④重复步骤②，测得Vf2；⑤2023/7/3123（2）测量LED在输入电功率加热状态下的Vf变化

①将LED置于温度为Ta的恒温箱中，给LED输入电功率Pd，使其产生自加热；②维持If恒定足够时间，至LED工作热平衡，此时Vf达至稳定，记录If、Vf；③测量LED热沉温度Ts(取最高点)；④切断输入电功率的电源，立即（<10ms）进行（1）之②步骤，测量Vf3。2023/7/3124（3）数据处理

3.LED的波长随结温的变化也有良好的线性关系：Δλ=

kΔTj，可以用类似的手段通过波长漂移法测量热阻，但难度较电压法稍大。

2023/7/3125五、LED的结温Tj

1.常用的结温测算方法

LED的结温TJ无法直接测量，只能通过间接的方式进行测量估算。

（1）热影像法

用精密热影像仪聚焦LED芯片PN结层面，拍摄热影像，对应出Tj。

（2）热阻测量法Tj=Ta+RthjaPd

2023/7/31262.LED的最大额定结温Tjmax：（常见大功率LED的最大额定结温：120℃；LuxeonK2：185℃）（1）应用中的环境温度Ta应低于最大环境温度Tamax

Tamax=Tjmax-RthjaPd（2）为保证LED在使用中结温不超出Tjmax，在不同的环境温度（Ta）下，计算并确保输入电流不超出Ifmax：

为确保LED工作的可靠性，在应用中LED的结温应尽可能低于最大额定结温Tjmax。2023/7/3127Ta（℃）Ifmax(mA)AlInGaP类大功率LEDInGaN类大功率LEDIfmax(mA)Ifmax(mA)Ta（℃）Ta（℃）电流降级曲线小功率LED2023/7/31283.降低LED结温的途径（1）减少LED本身的热阻；

（2）良好的二次散热机构；（3）减少LED与二次散热机构安装界面之间的热阻；（4）控制额定输入功率Pd；（5）降低环境温度Ta。2023/7/3129六、降低LED热阻的途径

1.降低芯片的热阻2.优化热通道

（1）通道结构

（2）通道材料——导热系数λ越大越好;（3）改良封装工艺，令通道环节间的界面接触更紧密可靠。

长度（L）越短越好；

面积（S）越大越好；

环节越少越好；

消除通道上的热传导瓶颈。

3.强化电通道的导/散热功能4.选用导/散热性能更高的出光通道材料2023/7/3130七、LED应用中的导热和散热1.依LED结温TJ的要求设计二次散热机构①取得正确的LED热阻值Rthjs或Rthjb；②评估LED工作时可能遭遇的最高环境温度Tamax；③为使LED可靠地工作，最好将LED正常工作时的最大结温T’jmax设定低于LED结温的最大额定值Tjmax；④确定不超出额定功率的最大输入功率Pdmax；

⑤

⑥计算二次散热机构容许的最大热阻Rthsa=Rthja-Rthjs,Rthba=Rthja-Rthjb⑦依Rthsa或Rthba作为目标值，查对LED供应商提供的对应Rthsa或Rthba的散热装置要求，以决定符合应用需求的二次散热机构的设计。

2023/7/31312.安装工艺导热环节界面平整光滑，接触紧密可靠，必要时可加散热膏或粘合连接安装，以确保将LED的热量高效地引导到二次散热机构。

八、小结1.清晰概念、理论依据和热工模型2.指导实际生产、测量和应用，以突显LED的优点——THEEND——2023/7/3132第一节活塞式空压机的工作原理第二节活塞式空压机的结构和自动控制第三节活塞式空压机的管理复习思考题单击此处输入你的副标题，文字是您思想的提炼，为了最终演示发布的良好效果，请尽量言简意赅的阐述观点。第六章活塞式空气压缩机

piston-aircompressor压缩空气在船舶上的应用：

1.主机的启动、换向；

2.辅机的启动；

3.为气动装置提供气源；

4.为气动工具提供气源；

5.吹洗零部件和滤器。

排气量:单位时间内所排送的相当第一级吸气状态的空气体积。单位：m3/s、m3/min、m3/h第六章活塞式空气压缩机

piston-aircompressor空压机分类：按排气压力分：低压0.2～1.0MPa；中压1～10MPa；高压10～100MPa。按排气量分：微型<1m3/min；小型1～10m3/min；中型10～100m3/min；大型>100m3/min。第六章活塞式空气压缩机

piston-aircompressor第一节活塞式空压机的工作原理容积式压缩机按结构分为两大类：往复式与旋转式两级活塞式压缩机单级活塞压缩机活塞式压缩机膜片式压缩机旋转叶片式压缩机最长的使用寿命-

----低转速（1460RPM），动件少（轴承与滑片），润滑油在机件间形成保护膜，防止磨损及泄漏，使空压机能够安静有效运作；平时有按规定做例行保养的JAGUAR滑片式空压机，至今使用十万小时以上，依然完好如初，按十万小时相当于每日以十小时运作计算，可长达33年之久。因此，将滑片式空压机比喻为一部终身机器实不为过。滑(叶)片式空压机可以365天连续运转并保证60000小时以上安全运转的空气压缩机1.进气2.开始压缩3.压缩中4.排气1.转子及机壳间成为压缩空间，当转子开始转动时，空气由机体进气端进入。2.转子转动使被吸入的空气转至机壳与转子间气密范围，同时停止进气。3.转子不断转动，气密范围变小，空气被压缩。4.被压缩的空气压力升高达到额定的压力后由排气端排出进入油气分离器内。4.被压缩的空气压力升高达到额定的压力后由排气端排出进入油气分离器内。1.进气2.开始压缩3.压缩中4.排气1.凸凹转子及机壳间成为压缩空间，当转子开始转动时，空气由机体进气端进入。2.转子转动使被吸入的空气转至机壳与转子间气密范围，同时停止进气。3.转子不断转动，气密范围变小，空气被压缩。螺杆式气体压缩机是世界上最先进、紧凑型、坚实、运行平稳，噪音低，是值得信赖的气体压缩机。螺杆式压缩机气路系统：

A

进气过滤器

B

空气进气阀

C

压缩机主机

D

单向阀

E

空气/油分离器

F

最小压力阀

G

后冷却器

H

带自动疏水器的水分离器油路系统：

J

油箱

K

恒温旁通阀

L

油冷却器

M

油过滤器

N

回油阀

O

断油阀冷冻系统：

P

冷冻压缩机

Q

冷凝器

R

热交换器

S

旁通系统

T

空气出口过滤器螺杆式压缩机涡旋式压缩机

涡旋式压缩机是20世纪90年代末期开发并问世的高科技压缩机，由于结构简单、零件少、效率高、可靠性好，尤其是其低噪声、长寿命等诸方面大大优于其它型式的压缩机，已经得到压缩机行业的关注和公认。被誉为“环保型压缩机”。由于涡旋式压缩机的独特设计，使其成为当今世界最节能压缩机。涡旋式压缩机主要运动件涡卷付，只有磨合没有磨损，因而寿命更长，被誉为免维修压缩机。

由于涡旋式压缩机运行平稳、振动小、工作环境安静，又被誉为“超静压缩机”。

涡旋式压缩机零部件少，只有四个运动部件,压缩机工作腔由相运动涡卷付形成多个相互封闭的镰形工作腔，当动涡卷作平动运动时，使镰形工作腔由大变小而达到压缩和排出压缩空气的目的。活塞式空气压缩机的外形第一节活塞式空压机的工作原理一、理论工作循环（单级压缩）工作循环：4—1—2—34—1吸气过程

1—2压缩过程

2—3排气过程第一节活塞式空压机的工作原理一、理论工作循环（单级压缩）

压缩分类：绝热压缩：1—2耗功最大等温压缩：1—2''耗功最小多变压缩：1—2'耗功居中功＝P×V（PV图上的面积）加强对气缸的冷却，省功、对气缸润滑有益。二、实际工作循环（单级压缩）1.不存在假设条件2.与理论循环不同的原因：1）余隙容积Vc的影响Vc不利的影响—残存的气体在活塞回行时，发生膨胀，使实际吸气行程（容积）减小。Vc有利的好处—

（1）形成气垫，利于活塞回行；（2）避免“液击”（空气结露）；（3）避免活塞、连杆热膨胀，松动发生相撞。第一节活塞式空压机的工作原理表征Vc的参数—相对容积C、容积系数λv合适的C：低压0.07-0.12

中压0.09-0.14

高压0.11-0.16

λv＝0.65—0.901）余隙容积Vc的影响C越大或压力比越高，则λv越小。保证Vc正常的措施：余隙高度见表6-1压铅法—保证要求的气缸垫厚度2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理2）进排气阀及流道阻力的影响吸气过程压力损失使排气量减少程度，用压力系数λp表示：保证措施：合适的气阀升程及弹簧弹力、管路圆滑畅通、滤器干净。λp

（0.90-0.98）2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理3）吸气预热的影响由于压缩过程中机件吸热，所以在吸气过程中，机件放热使吸入的气体温度升高，使吸气的比容减小，造成吸气量下降。预热损失用温度系数λt来衡量（0.90-0.95）。保证措施：加强对气缸、气缸盖的冷却，防止水垢和油污的形成。2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理4）漏泄的影响内漏：排气阀（回漏）；外漏：吸气阀、活塞环、气缸垫。漏泄损失用气密系数λl来衡量（0.90-0.98）。保证措施：气阀的严密闭合，气缸与活塞、气缸与缸盖等部件的严密配合。5）气体流动惯性的影响当吸气管中的气流惯性方向与活塞吸气行程相反时，造成气缸压力较低，气体比容增大，吸气量下降。保证措施：合理的设计进气管长度，不得随意增减进气管的长度，保证滤器的清洁。2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理上述五条原因使实际与理论循环不同。4）漏泄的影响5）气体流动惯性的影响1）余隙容积Vc的影响2）进排气阀及流道阻力的影响3）吸气预热的影响2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理3.排气量和输气系数理论排气量Vt----单位时间内活塞所扫过的气缸容积。实际排气量Q：Q=Vt

λ输气系数λ

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