LED熱量管理方案，靜態(tài)冷卻、瞬態(tài)冷卻解析

LED是復(fù)雜的設(shè)備。LED不僅存在與半導體設(shè)計和操作相關(guān)的常見問題，而且LED主要用于發(fā)光。因此，光學涂層、光束管理裝置如反射器和透鏡、波長轉(zhuǎn)換熒光體等存在進一步的系統(tǒng)復(fù)雜性。盡管如此，熱量管理對于可靠的固態(tài)照明（SSL）產(chǎn)品而言至關(guān)重要。此外，您需要了解如何在靜態(tài)和瞬態(tài)背景下冷卻LED。

對于LED，需要遵守兩個熱管理參數(shù)。一個是所需的工作溫度，另一個是最高工作溫度。通常，所需的工作溫度需要盡可能低。實現(xiàn)這一點可以確保高電光效率、良好的光譜質(zhì)量和長的器件壽命。在高溫下操作不僅會降低LED產(chǎn)生的光，而且質(zhì)量和數(shù)量方面也會降低，最終會觸發(fā)許多故障機制。

LED制造商對這些缺陷很精通，能夠設(shè)計出高達130°C結(jié)溫的產(chǎn)品。由于LED封裝的熱阻，印刷電路板（PCB）的溫度約小10°C。假如高于額定結(jié)溫，每上升10°C，LED壽命約減一半。

將電子轉(zhuǎn)換為聲子，LED效率相對較低。高亮度白光LED可以達到40％的效率，而UVC LED可能只有5％的效率。在這兩種情況下，必須通過傳導去除剩余的熱量以防止過熱。這是LED光源或照明設(shè)計師的責任。

靜態(tài)冷卻LED

將LED保持冷卻的常規(guī)方法是將LED器件安裝在散熱器上。來自LED的熱量通過傳導進入散熱器，然后散發(fā)到空氣中。假如熱量被水或其他流體除去，散熱器有時被稱為冷板，因為相關(guān)聯(lián)的散熱系統(tǒng)經(jīng)常要設(shè)計工作流體處于低于室內(nèi)環(huán)境的固定溫度。

從LED到散熱片能否有效運輸熱量取決于高導熱性的材料。 例如，從圖1的圖表中可以看出，銅優(yōu)于鋁和黃銅，又優(yōu)于不銹鋼。

圖1． 材料具有不同程度的導熱性。

雖然銅在這些金屬中是最佳的熱導體，但是導熱系數(shù)與材料的厚度無關(guān)。通過材料傳導傳遞熱量的能力主要跟熱阻有關(guān)，厚度越厚，熱阻越大。

電介質(zhì)和氣流

例如，中高功率LED陣列通常建立在導熱PCB上。在頂面，有銅板與LED進行電連接，而在下面有一塊鋁來傳導熱量。在銅和鋁之間有一電介質(zhì)層，以防止銅板對鋁的電短路。各制造商在選擇介電材料方面采取了不同的方法，從有機材料到無機化合物，涵蓋了整個光譜。如圖2所示，熱電阻最小的電介質(zhì)材料幾乎是一個數(shù)量級的，可以應(yīng)用最薄的電介質(zhì)材料，同時仍能提供所需的絕緣隔離。

圖2． 電介質(zhì)材料的厚度會影響耐熱性。

但是，圖2并沒有說明全部。假設(shè)該裝置是用空氣冷卻的，在LED和散熱片之間的熱路徑中將有許多界面。一些由焊料橋接，一些由粘合劑橋接，其他將被壓在一起（例如使用螺絲）。這些接合處對熱傳導帶來了額外的障礙，其大小可能很大、難以預(yù)測、并隨時間而變化。

系統(tǒng)中所有熱阻和界面電阻的串聯(lián)／并行加法稱為熱阻抗，設(shè)計導通路徑以保持LED冷卻。計算類似于電阻網(wǎng)絡(luò)。在圖3中，電壓本質(zhì)上就是溫度，電流是熱通量，所得電阻是熱阻。

圖3． 在開發(fā)工作中，您可以依賴于熱傳導路徑的等效電阻。為了得到一個完整的熱阻抗系統(tǒng)模型，必須在材料之間的每個過渡處添加熱界面電阻。

瞬態(tài)冷卻LED

先前的討論是假設(shè)在穩(wěn)定狀態(tài)，即LED永久地通電并且散熱器將熱能連續(xù)地耗散到周圍空氣中。這種熱模型在兩種情況下會出現(xiàn)故障。一種是在接通LED時，更通常地是在脈沖操作中。令人驚訝的是，可以設(shè)計一條熱路徑，在連續(xù)工作時保持LED冷卻，但是在接通時會過熱。當這樣操作時，相關(guān)聯(lián)的熱偏移可能讓LED突然出現(xiàn)故障，類似于鎢絲燈絲開啟時突然斷裂一樣。因此，LED的熱解決方案設(shè)計需要考慮瞬態(tài)操作，并且包括時間和空間變量。

時間依賴

瞬態(tài)冷卻的時間分量是由于熱路徑中材料的比熱容量而產(chǎn)生的。這可以作為電容器添加到熱電阻的電氣模型中（圖4）。熱容量是指材料受熱（或冷卻）時吸收（或放出）熱量的性質(zhì)。熱容量的大小用比熱容（簡稱比熱）表示。

圖4． 熱傳導的時間依賴是由于系統(tǒng)中材料的熱容量而導致的，電等效模型是RC低通濾波器。

電氣模型類比意味著熱阻抗有時用于描述材料的時間相關(guān)的熱性質(zhì)。請注意，這時要注意區(qū)分，因為熱阻抗也可以用來描述整個系統(tǒng)的靜態(tài)熱阻。

空間依賴

瞬態(tài)冷卻的空間分量源于熱量往哪個方向擴散多一些。比如，一個安裝在大的薄金屬板上的LED。最初，整個板處于環(huán)境溫度。LED作為點熱源。在接通時，LED會產(chǎn)生熱量，通過傳導將熱量傳遞到板中。熱量快速通過金屬板，提高了LED下方區(qū)域的溫度。因此，最先的時候，金屬板的一小部分是來冷卻LED的。金屬板的導電性意味著LED的一些熱量會在板內(nèi)橫向擴展，最終出現(xiàn)在表面上（圖5所示）。因此，參與冷卻LED的金屬板的體積會隨時間而增加，導致熱阻和熱容量出現(xiàn)明顯改變。

圖5． 一個熱體在薄金屬板上，這種簡單的有限元熱模型通過參與冷卻的板材體積的變化表現(xiàn)空間依賴性。這些模型的計算按照從左上到右下時間增加來進行的。

當路徑中存在高熱阻的界面或?qū)訒r，空間依賴特別重要。通過采取措施就將熱量散布在該屏障之前最大的可能區(qū)域，這樣在穩(wěn)態(tài)和脈沖操作中，LED可以達到更好的冷卻。

對流和輻射

高于環(huán)境溫度的任何材料都會通過對流和輻射而失去熱量。雖然這些是鎢絲燈冷卻的主要機制，但它們在LED的熱管理中起著很小的作用。但是，應(yīng)該將對流和輻射包括在任何模式中，目的是確保最接近現(xiàn)實情況。

總之，LED必須被冷卻，以達到最佳的效率并確保其光輸出的穩(wěn)定和壽命。可以使用基于電氣部件的模型來構(gòu)造簡單的熱傳導穩(wěn)態(tài)模型。但是，為了正確理解熱路徑，特別是在瞬態(tài)條件下的反應(yīng)，最好使用可以適應(yīng)時間、空間和溫度變化的工具。

熱傳導的時間和空間依賴性解釋了為什么在材料選擇方面存在層次結(jié)構(gòu)。高比熱容或熱導率會隨著材料在熱路徑中的位置和LED預(yù)期的操作模式而改變。