選擇性運算方式可改善LED燈具散熱的問(wèn)題分析

時(shí)至今日，白色LED的熱分析仍舊是一門(mén)未完成的科學(xué)。大多數LED燈具和照明器制造商只能依賴(lài)于不充分、不準確或模糊的數據來(lái)確定LED設備在相關(guān)應用領(lǐng)域的性能，這往往可能導致其散熱片設計過(guò)度工程化。

圖1.LED的定義

目前業(yè)內通常使用功率轉換效率(WPE)方法來(lái)計算LED轉換為光輻射所需的功率，以及LED實(shí)際所產(chǎn)生的熱量。WPE的缺陷在于，同一產(chǎn)品類(lèi)別中各個(gè)LED設備之間得出的結果差異甚大，使得燈具和照明器制造商很難對LED產(chǎn)品進(jìn)行比較。而且，WPE通常也與操作環(huán)境有很大關(guān)系。我們將介紹一種簡(jiǎn)單明了、基于輻射發(fā)光效率(LER)的LED發(fā)熱量計算方法。最先進(jìn)、熒光轉換型白色LED的LER一般都保持恒定，因此照明器設計商可利用此公式來(lái)快速估計LED設備所產(chǎn)生的熱量。

圖2.WPE和LER的分布LED與散熱

在熱模擬實(shí)驗中，LED有時(shí)會(huì )被模擬成簡(jiǎn)單的電阻式加熱器，所有將進(jìn)入LED的電功率假定會(huì )轉換成熱量并反過(guò)來(lái)從照明器發(fā)散出去。但這一假設存在一個(gè)問(wèn)題，那就是太過(guò)保守：高亮度熒光轉換型白色LED一般會(huì )將30%的傳入電功率轉換為光，而寶藍色LED的轉換功率可大大超過(guò)50%。因此，高亮度LED發(fā)熱所需的總功率通常低于進(jìn)入LED的總電功率。

圖3.WPE與LER的比較

若這一降低的發(fā)熱容量被不適當地納入熱模擬中，預期的照明器內部溫度將過(guò)高，因而將需要采用更復雜、成本更高的散熱片設計。這對于那些需要從小型PCB板和散熱片發(fā)散特定熱量(5W-10W)的應用尤其重要，例如改造型的LED燈泡。要評估燈具或照明器的累計熱性能，設計商必須合理考慮傳入電功率將分別轉換為光和熱的比例有多少。

如今LED行業(yè)常用的WPE方法被定義為L(cháng)ED總輻射功率與傳入LED總電功率的比率。由于WPE取決于LED的標稱(chēng)通量和電壓，且是實(shí)際驅動(dòng)電流及連接溫度的強函數，因此在同一個(gè)產(chǎn)品類(lèi)別的不同LED設備之間得出結果差異較大。因而對于特定的LED產(chǎn)品類(lèi)別而言，很難針對不同的驅動(dòng)器條件、通量和電壓BIN組合定義一個(gè)典型的WPE值。

輻射發(fā)光效率

對比之下，進(jìn)行LED應用的熱評估時(shí)使用輻射發(fā)光效率(LER)比WPE更具信服力，前者可以量化光源的可見(jiàn)光發(fā)光效率。更具體地講，LER被定義為光源的總適應光通量(流明)除以其總輻射功率(瓦特)。LED的LER值可以直接從輻射光譜功率分布(通常印于設備的數據表上)獲取，且與WPE不同的是，LER值不因標稱(chēng)通量和電壓或實(shí)際驅動(dòng)電流和連接溫度而產(chǎn)生明顯變化。已知LER值的情況下，就可以通過(guò)以下公式計算出LED的總發(fā)熱量：

其中，菱形符號表示LER值，If表示驅動(dòng)電流，Vf表示操作條件下的正向壓，Φv表示操作條件下的總發(fā)光通量。例如，對于一個(gè)典型LER值為300lm/Wrad的熒光轉換型白色LED，假設其驅動(dòng)電流為1000mA，發(fā)光通量為300lm，正向壓為2.9V，那么根據上文公式就可以算出其總發(fā)熱量為1.9W。

當前熒光轉換型白色LED生產(chǎn)工藝所取得的進(jìn)步使同一產(chǎn)品類(lèi)別LED的精確色點(diǎn)控制成為可能，因此LER值更為一致。事實(shí)上，例如飛利浦流明(Philips Lumileds)等制造商推出的最新照明級LED(3階MacAdam橢圓)已可實(shí)現極佳的顏色控制。這允許制造商定義一個(gè)針對特定CCT、可代表同一產(chǎn)品類(lèi)別所有LED的典型LER值。