LED是複雜的設(shè)備。LED不僅存在與半導(dǎo )體設(shè)計(jì)和操作相關(guān)的常見(jiàn)問(wèn)題，而且LED主要用於發(fā)光。因此，光學(xué)塗層、光束管理裝置如反射器和透鏡、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換(huàn)螢光體等存在進(jìn)一步的系統(tǒng)複雜性。儘管如此，熱量管理對(duì)於可靠的固態(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(duì)於LED，需要遵守兩(liǎng)個(gè)熱管理參數(shù)。一個(gè)是所需的工作溫度，另一個(gè)是高工作溫度。通常，所需的工作溫度需要儘可能低。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)可以確保高電光效率、良好的光譜質(zhì)量和長(zhǎng)的器件壽命。在高溫下操作不僅會(huì)降低LED產(chǎn)生的光，而且質(zhì)量和數(shù)量方面也會(huì)降低，終會(huì)觸發(fā)許多故障機(jī)制。

LED製造商對(duì)這些缺陷很精通，能夠設(shè)計(jì)出高達(dá)130°C結(jié)溫的產(chǎn)品。由於LED封裝的熱阻，印刷電路板(PCB)的溫度約小10°C。假如高於額定結(jié)溫，每上升10°C，LED壽命約減一半。

將電子轉(zhuǎn)換(huàn)為聲子，LED效率相對(duì)較低。高亮度白光LED可以達(dá)到40%的效率，而UVC LED可能只有5%的效率。在這兩(liǎng)種情況下，必須通過(guò)傳導(dǎo )去除剩餘的熱量以防止過(guò)熱。這是LED光源或照明設(shè)計(jì)師的責(zé)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(lái)自LED的熱量通過(guò)傳導(dǎo )進(jìn)入散熱器，然後散發(fā)到空氣中。假如熱量被水或其他流體除去，散熱器有時(shí)被稱(chēng)為冷板，因為相關(guān)聯(lián)的散熱系統(tǒng)經(jīng)常要設(shè)計(jì)工作流體處於低於室內(nèi)環(huán)境的固定溫度。

從LED到散熱片能否有效運(yùn)輸(shū)熱量取決於高導(dǎo )熱性的材料。 例如，從圖1的圖表中可以看出，銅優(yōu)於鋁和黃銅，又優(yōu)於不鏽鋼。

 

圖1. 材料具有不同程度的導(dǎo )熱性。

雖然銅在這些金屬中是佳的熱導(dǎo )體，但是導(dǎo )熱係數(shù)與材料的厚度無(wú)關(guān)。通過(guò)材料傳導(dǎo )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(dǎo )熱PCB上。在頂面，有銅板與LED進(jìn)行電連接，而在下面有一塊鋁來(lái)傳導(dǎo )熱量。在銅和鋁之間有一電介質(zhì)層，以防止銅板對(duì)鋁的電短路。各製造商在選擇介電材料方面採取了不同的方法，從有機(jī)材料到無(wú)機(jī)化合物，涵蓋了整個(gè)光譜。如圖2所示，熱電阻小的電介質(zhì)材料幾乎是一個(gè)數(shù)量級(jí)的，可以應(yīng)用薄的電介質(zhì)材料，同時(shí)仍能提供所需的絕緣隔離。

圖2. 電介質(zhì)材料的厚度會(huì)影響耐熱性。

但是，圖2並沒有說(shuō)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(duì)熱傳導(dǎo )帶來(lái)了額外的障礙，其大小可能很大、難以預測(cè)、並隨時(shí)間而變化。

系統(tǒng)中所有熱阻和界面電阻的串聯(lián)/並行加法稱(chēng)為熱阻抗，設(shè)計(jì)導(dǎo )通路徑以保持LED冷卻。計(jì)算類(lèi)似於電阻網(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(kāi)發(fā)工作中，您可以依賴於熱傳導(dǎo )路徑的等效電阻。為了得到一個(gè)完整的熱阻抗系統(tǒng)模型，必須在材料之間的每個(gè)過(guò)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永久地通電並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(liǎng)種情況下會(huì)出現(xiàn)故障。一種是在接通LED時(shí)，更通常地是在脈衝操作中。令人驚訝的是，可以設(shè)計(jì)一條熱路徑，在連續(xù)工作時(shí)保持LED冷卻，但是在接通時(shí)會(huì)過(guò)熱。當(dāng)這樣操作時(shí)，相關(guān)聯(lián)的熱偏移可能讓LED突然出現(xiàn)故障，類(lèi)似於鎢絲燈絲開(kāi)啟時(shí)突然斷裂一樣。因此，LED的熱解決方案設(shè)計(jì)需要考慮瞬態(tài)操作，並且包括時(shí)間和空間變量。

　　時(shí)間依賴

瞬態(tài)冷卻的時(shí)間分量是由於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(shí)吸收(或放出)熱量的性質(zhì)。熱容量的大小用比熱容(簡(jiǎn)稱(chēng)比熱)表示。

圖4. 熱傳導(dǎo )的時(shí)間依賴是由於系統(tǒng)中材料的熱容量而導(dǎo )致的，電等效模型是RC低通濾波器。

電氣模型類(lèi)比意味著熱阻抗有時(shí)用於描述材料的時(shí)間相關(guān)的熱性質(zhì)。請注意，這時(shí)要注意區(qū)分，因為熱阻抗也可以用來(lái)描述整個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)熱阻。

　　空間依賴

瞬態(tài)冷卻的空間分量源於熱量往哪個(gè)方向擴散多一些。比如，一個(gè)安裝在大的薄金屬板上的LED。初，整個(gè)板處於環(huán)境溫度。LED作為點(diǎn)熱源。在接通時(shí)，LED會(huì)產(chǎn)生熱量，通過(guò)傳導(dǎo )將熱量傳遞到板中。熱量快速通過(guò)金屬板，提高了LED下方區(qū)域的溫度。因此，先的時(shí)候，金屬板的一小部分是來(lái)冷卻LED的。金屬板的導(dǎo )電性意味著LED的一些熱量會(huì)在板內(nèi)橫向擴展，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(huì)隨時(shí)間而增加，導(dǎo )致熱阻和熱容量出現(xiàn)明顯改變。

 

圖5. 一個(gè)熱體在薄金屬板上，這種簡(jiǎn)單的有限元熱模型通過(guò)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(jì)算按照從左上到右下時(shí)間增加來(lái)進(jìn)行的。

當(dāng)路徑中存在高熱阻的界面或層時(shí)，空間依賴特別重要。通過(guò)採取措施就將熱量散布在該屏障之前大的可能區(qū)域，這樣在穩(wěn)態(tài)和脈衝操作中，LED可以達(dá)到更好的冷卻。

對(duì)流和輻射

高於環(huán)境溫度的任何材料都會(huì)通過(guò)對(duì)流和輻射而失去熱量。雖然這些是鎢絲燈冷卻的主要機(jī)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(duì)流和輻射包括在任何模式中，目的是確保接近現(xiàn)實(shí)情況。

總之，LED必須被冷卻，以達(dá)到佳的效率並確保其光輸(shū)出的穩(wěn)定和壽命。可以使用基於電氣部件的模型來(lái)構(gòu )造簡(jiǎn)單的熱傳導(dǎo )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)，好使用可以適應(yīng)時(shí)間、空間和溫度變化的工具。

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