大功率LED散熱處理（附算式），LED驅動(dòng)電源的實(shí)現和設計

　　大功率LED如何高效率進(jìn)行散熱處理？

　　計算舉例

　　這里采用了NICHIA公司的測量TC的實(shí)例中取部分數據作為計算舉例。已知條件如下：

　　LED：3W白光LED、型號MCCW022、RJC=16℃/W。K型熱電偶點(diǎn)溫度計測量頭焊在散熱墊上。

　　PCB試驗板：雙層敷銅板（40&TImes;40mm）、t=1.6mm、焊接面銅層面積1180mm2背面銅層面積1600mm2。

　　LED工作狀態(tài)：IF=500mA、VF = 3.97V。

　　按圖9用K型熱電偶點(diǎn)溫度計測TC，TC=71℃。測試時(shí)環(huán)境溫度TA = 25℃。

　　1.TJ計算

　　TJ=RJC&TImes;PD+TC=RJC（IF&TImes;VF）+TC

　　TJ=16℃/W（500mA&TImes;3.97V）

　　+71℃=103℃

　　圖9 TC測量位置圖

　　2.RBA計算

　　RJA=（TC－TA）/PD

　　=（71℃－25℃）/1.99W

　　=23.1℃/W

　　3.RJA計算

　　RJA=RJC+RBA

　　=16℃/W+23.1℃/W

　　=39.1℃/W

　　如果設計的TJmax=90℃，則按上述條件計算出來(lái)的TJ不能滿(mǎn)足設計要求，需要改換散熱更好的PCB或增大散熱面積，并再一次試驗及計算，直到滿(mǎn)足TJ≤TJmax為止。

　　另外一種方法是，在采用的LED的RJC值太大時(shí)，若更換新型同類(lèi)產(chǎn)品RJC=9℃/W（IF=500mA時(shí)VF=3.65V），其他條件不變，TJ計算為：

　　TJ=9℃/W（500mA×3.65V）+71℃

　　=87.4℃

　　上式計算中71℃有一些誤差，應焊上新的9℃/W的LED重新測TC（測出的值比71℃略?。?。這對計算影響不大。采用了9℃/W的LED后不用改變PCB材質(zhì)及面積，其TJ符合設計的要求。

　　PCB背面加散熱片

　　若計算出來(lái)的TJ比設計要求的TJmax大得多，而且在結構上又不允許增加面積時(shí)，可考慮將PCB背面粘在“∪”形的鋁型材上（或鋁板沖壓件上），或粘在散熱片上，如圖10所示。這兩種方法是在多個(gè)大功率LED的燈具設計中常用的。例如，上述計算舉例中，在計算出TJ=103℃的PCB背后粘貼一個(gè)10℃/W的散熱片，其TJ降到80℃左右。

　　圖10 “∪”形鋁型材

　　這里要說(shuō)明的是，上述TC是在室溫條件下測得的（室溫一般15～30℃）。若LED燈使用的環(huán)境溫度TA大于室溫時(shí)，則實(shí)際的TJ要比在室溫測量后計算的TJ要高，所以在設計時(shí)要考慮這個(gè)因素。若測試時(shí)在恒溫箱中進(jìn)行，其溫度調到使用時(shí)最高環(huán)境溫度，為最佳。

　　另外，PCB是水平安裝還是垂直安裝，其散熱條件不同，對測TC有一定影響，燈具的外殼材料、尺寸及有無(wú)散熱孔對散熱也有影響。因此，在設計時(shí)要留有余地。

　　結束語(yǔ)

　　采用一定散熱面積的PCB、裝上LED的試驗板，在LED工作狀態(tài)下測出TC再計算的方法來(lái)作散熱設計是一種簡(jiǎn)便、有效的方法，可以較好地設計出滿(mǎn)足結溫TJmax要求的散熱結構（PCB材質(zhì)及面積）。

　　這種散熱設計方法除適用于大功率白光LED的照明燈具外，也適用于其他發(fā)光顏色的大功率LED燈具，如警示燈、裝飾燈等。

　　LED驅動(dòng)電源設計和實(shí)現：

　　近幾年LED作為新型節能光源在全球和中國都贏(yíng)得得了很高的投資熱情和極大關(guān)注，并由戶(hù)外向室內照明應用市場(chǎng)滲透，中國也涌現出大大小小上萬(wàn)家LED照明企業(yè)。讓LED照明大放異彩的最主要原因正是其宣揚的具有節能、環(huán)保、長(cháng)壽命、易控制、免維護等特點(diǎn)。

　　然而頗具諷刺意味的是，我們常常聽(tīng)聞?dòng)捎贚ED驅動(dòng)電源本身的壽命直接拖累LED照明燈具變得并不“長(cháng)壽”，極大地增加了維護/使用成本；或者驅動(dòng)電源的效率不高導致LED照明燈具的能效轉換比并不是想象中那么高，或者由于輸出電流紋波沒(méi)有得到很好的控制影響了發(fā)光品質(zhì)，使得LED照明的綠色節能優(yōu)勢大打折扣，甚至影響了市場(chǎng)普及。

　　LED驅動(dòng)電源的可靠性和能效是測試關(guān)鍵

　　1.高可靠性和壽命：驅動(dòng)電源的壽命要與LED的壽命相適配，特別對像LED路燈的驅動(dòng)電源，因為裝在高空，維修不方便，維修的花費也大；

　　2.高效率：對于電源安裝在LED燈具內的結構，這一點(diǎn)尤為重要。因為L(cháng)ED的發(fā)光效率隨著(zhù)LED溫度的升高而下降，所以L(fǎng)ED的散熱非常重要。電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升，對延緩LED的光衰有利。

　　3.高功率因數 ：隨著(zhù)社會(huì )對供電質(zhì)量的要求不斷提高，人們越來(lái)越關(guān)注用電設備帶來(lái)的電能質(zhì)量和諧波問(wèn)題。如歐盟已經(jīng)發(fā)布標準，規定功率大于25W的電源設備必須具備功率因數校正電路。而其他很多國家對于30 ~40W的LED驅動(dòng)電源，據說(shuō)不久也將可能會(huì )對功率因數方面有一定的指標要求。

　　4. 恒流驅動(dòng)：現在通行的有兩種：一種是一個(gè)恒壓源供多個(gè)恒流源，每個(gè)恒流源單獨給每路LED供電。這種方式組合靈活，一路LED故障，不影響其他LED的工作，但成本會(huì )略高一點(diǎn)。另一種是直接恒流供電，LED串聯(lián)或并聯(lián)運行。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低一點(diǎn)，但靈活性差，還要解決某個(gè)LED故障不影響其他LED運行的問(wèn)題。

　　5.適當的輸出紋波：輸出紋波會(huì )影響LED的光輸出效果。但減小紋波需要使用更高品質(zhì)和容量的電容。為提高電源整體的使用壽命，設計師往往傾向于采用無(wú)電容方案。工程師必須在輸出紋波指標上確定折中方案。

　　6.浪涌保護：LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。有些LED燈裝在戶(hù)外，由于電網(wǎng)負載的啟甩和雷擊的感應，從電網(wǎng)系統會(huì )侵入各種浪涌，有些浪涌會(huì )導致LED的損壞。因此LED驅動(dòng)電源要有抑制浪涌的侵入，保護LED不被損壞的能力。

　　7.保護功能： 電源除了常規的保護功能外，最好在恒流輸出中增加LED溫度負反饋，防止LED溫度過(guò)高。

　　8.防護方面：對燈具外安裝型結構，電源結構要防水、防潮，外殼要耐曬。

　　9.要符合安規和電磁兼容的要求。人

　　要達到高品質(zhì)的驅動(dòng)電源設計標準，就需要進(jìn)行全面的測試測量分析，如圖1所示，LED照明測試主要包括5個(gè)部分：電源質(zhì)量、諧波、功率開(kāi)關(guān)器件測量、調制分析以及驅動(dòng)輸出參數測試。