LED熱管理中散熱器的選擇

當高亮度LED的前向電流增加而封裝尺寸減小，熱逸散及災難性故障的潛在也隨之增加。在眾多LED應用中，由于極端的高溫環(huán)境，需要更高級別的保護。

　　熱折返是減少LED故障及避免因為過熱而導致LED壽命縮短的常用方法。這種控制方法使用一個與溫度成反比的信號，在設置溫度斷點后降低LED的電流。

以下介紹兩個例子：一個100W路燈應用和一個12W的軍用手電筒應用。這兩個實例介紹了較為復雜的系統(tǒng)與較為簡單的系統(tǒng)間的區(qū)別及各自的設計流程。

　　背景

　　在使用大功率LED的傳統(tǒng)照明應用中，需要大的散熱器來排出LED所釋放的熱量。LED自身不散熱，相反，它們通過半導體結(jié)點來傳導熱量。此傳導功率（PD）等于前向電壓（VF）和前向電流（IF）的乘積。

　　PD=VF×IF

　　為了保持一個安全的LED結(jié)點溫度，必須消除這個傳導功率。需要對系統(tǒng)中的熱阻抗進行分析，才能在額定功率下定制一個散熱器以確保期望的熱特性 。

　　一個典型的大功率LED將通過其器件、錫焊連接點、印刷電路板和散熱器來消耗大部分功率。如圖1所示。使用這個簡單的模型，計算就相當簡單。LED結(jié)點的功率耗散（PD），必須通過結(jié)點-環(huán)境的總熱阻（θJA）分配，這一點與電流通過電氣電阻時極其相像。

　　由此產(chǎn)生的結(jié)點溫度（TJ）和環(huán)境溫度（TA）之間的溫度差（TJ-TA）等于一個電氣電壓（歐姆定律的熱當量）：

　　TJ-TA=PD×θJA

　　θJA 指下列各值的總和。

　　θJS：結(jié)點至錫焊點熱阻；

　　θSH：錫焊點至散熱器熱阻；

　　θHA：錫焊點至環(huán)境熱阻。

　　θJS代表內(nèi)部的LED熱阻，而θSH代表印刷電路板（PCB）電介質(zhì)和結(jié)點熱阻。最后，θHA代表散熱器熱阻，θJS值為LED制造商數(shù)據(jù)表中指定值，并且是一個簡單的LED封裝函數(shù)。它可以在2~15℃/W的范圍內(nèi)變化。假如從錫焊點到散熱器的連接良好（包括：多重熱導通孔，適量的銅，良好的焊接和可能用到的導熱膠），θSH則基本上可以忽略不計。這將產(chǎn)生一個小于2℃/W的極低θSH值。

　　θHA保持不變，因為它更多地取決于散熱器表面積及其導熱性能。在標準的FR4印刷電路板上（近似于LED的尺寸），沒有外部散熱器，僅有底部覆銅層，θHA值可能會非常大，超過100℃/W。通過圖1所示的外部散熱器，可降低熱阻來保持理想的溫度差 （TJ-TA）。熱設計需要根據(jù)下列θHA方程式，選擇合適的散熱器：

　　通過該方程可以很容易算出，如果功率增加或允許的溫度差降低，那么必要的熱阻將隨之降低，而這相當于需要一個更大的散熱器。

　　實際應用中 ，在系統(tǒng)使用壽命期內(nèi)，由于存在前向電壓及其他電子偏差，輸出LED功率會增加5%~10%前向。可能的溫度上升范圍需根據(jù)最差情況下預計的TA值計算。此外，在制造商規(guī)定的規(guī)格中，通常會降低最大允許的TJ值，以確保LED使用壽命和效率不會降低 。這些容差迫使我們提升最壞情況下的散熱設計標準，要比標定時提高25%~50%。

　　LED驅(qū)動器

　　這些LED僅僅是具有LED驅(qū)動器主控機制的動態(tài)系統(tǒng)的組成之一。高亮度LED驅(qū)動器通常是通過開關轉(zhuǎn)換器支持其工作。轉(zhuǎn)換器對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)以提供一個近似于恒定的LED光通量輸出。驅(qū)動器可適應不斷變化的動態(tài)情況，提供連續(xù)調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)電氣穩(wěn)定性。在最常見的LED驅(qū)動器中，需要對輸出電流進行調(diào)節(jié)，因為它與輸出通量有著密切的關系并易于做出調(diào)整。

　　盡管電氣穩(wěn)定性是控制方案的根本，但熱平衡是可控變量（LED電流）和不可控變量（環(huán)境）的函數(shù)。隨著環(huán)境溫度從25℃的室溫增高時，LED的前向電壓降低。因為電流被不斷調(diào)整，因此功率降低，最終達到實現(xiàn)結(jié)點熱平衡的目的。但最終環(huán)境溫度的升高會導致結(jié)溫超過LED的安全工作范圍。此時，LED內(nèi)的各種元件性能降低、惡化，最終導致熱逸散和災難性的LED故障。