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如何降低LED照明基板的热度

出处:电子发烧友 发布于:2019-02-15 13:49:52 | 346 次阅读

高功率LED过热会对芯片的使用寿命产生巨大影响。因此,此类芯片的制造商建议采用热管理技术将器件的工作温度保持在建议的最大值以下。

一种技术是将大体积的铝制或铜制散热器连接到照明组件,但这会增加显着的费用和重量并占用空间。修改安装LED的印刷电路板pcb)可以改善热管理,从而可以使用更小和更便宜的散热器(甚至可以消除低于5 W的LED)。

LED封装热阻

将LED的结温从75°C加倍到150°C可将其寿命缩短70%以上(图1:曲线族代表不同的环境温度,Tair)。更糟糕的是,在给定的正向电压和正向电流下,升高的温度会降低器件的光输出。

如何降低LED照明基板的热度

图1:随着结温的升高,大功率LED寿命降低。 (礼貌:Cree。)

LED照明工程师必须考虑热管理策略。添加散热器会有所帮助,但设计人员应首先考虑对PCB进行相对便宜的修改以改善散热。

LED结温可以使用以下公式计算:

Tj = Tair +(Rth ja x Pd)

其中:

Tj =结温(°C);

Tair =环境温度温度(°C);

Rth j-air = LED结与环境之间的热阻(°C/W);

Pd = LED消耗的功率=正向电压(Vf)x正向电流(If) (V x A)。

该公式表明,对于在给定环境温度下运行的设备,降低热阻会降低温度。简单地说,通过提供散热的路径,芯片可以保持冷却。

LED照明组件的热阻是从结点到外界的热路径中不同材料的热阻之和。让我们假设一个单独的散热器不是设计的一部分;相反,PCB将成为唯一的热量损失设备。

因此,组件的总热阻为:

Rth j-air = Rth j-sp + Rth sp-pcb

其中:

Rth j-sp = LED结点与之间的热阻PCB上的LED安装焊盘;

Rth sp-pcb =焊盘与PCB底面之间的热阻。

Rth j-sp由制造商提供的芯片封装决定。图2显示了Cree XLamp XP LED的封装,表1详细说明了其热阻,单位为°C/W.虽然设计工程师无法直接控制Rth j-sp,但其价值因制造商而异,并且在选择大功率LED时需要考虑的重要数字。例如,欧司朗提供其OSTAR系列,其中包括Rth j-sp约为5°C/W的高功率白光LED。

如何降低LED照明基板的热度

图2:Cree XLamp XP LED封装。

如何降低LED照明基板的热度

表1:Cree XLamp LED的典型热阻(°C/W)值。

降低PCB热阻

FR-4是迄今为止最常见的PCB基板,是一种阻燃玻璃纤维增强环氧树脂层压板。这使得它成为一种坚固,刚性,易于加工的材料,用于制造电路板,但是导热性差。为了证明FR-4的热性能有多糟糕,让我们用下面的公式计算它的热阻:

Rth sp-pcb = l/(kx A)[1]

其中:

l = FR-4厚度(m);

k =导热系数(W/mK);

A =热源垂直面积。

举例说明LED的导热垫安装在PCB上的焊盘上,尺寸为10 x 10 mm,厚度为1.6 mm,热导率为0.2 W/mK,热阻为80°C/W。 (请注意,这种计算是近似值,因为它没有考虑LED和PCB之间界面的导电性,散热,对流热阻或边界条件。)

这是一个非常高的热阻,会可能导致高功率LED快速过热。

但是有一个相对简单的修改可以显着改善这种情况。在LED焊盘安装座下方的PCB上添加所谓的热通孔(图3)可降低基板的热阻。这种技术更具成本效益,因为在PCB制造过程中通常会将许多过孔作为电路元件进行钻孔 - 因此在设计中添加更多过孔会带来最小的额外成本。

如何降低LED照明基板的热度

图3:带有热过孔的FR-4横截面(不按比例)。 (礼貌:Cree)

为了获得最佳效果,LED制造商推荐一系列散热孔,位于LED散热垫正下方,垂直于LED导热垫。这通过提供多个协同工作的热路径以及限制热量扩散到PCB的其余部分来最小化电阻。

除了优化几何外,热过孔的功效还取决于它们的结构。例如,如果通孔是空心的,则它们具有比填充有固体铜,焊料或导电环氧树脂的通孔更高的热阻。考虑一个典型的0.6毫米直径的焊料填充焊料(通常在镀铜的通孔通过焊接机时发生)。

与LED导热垫垂直的直径为0.6毫米的区域为0.28mm²。焊料的导热率约为58 W/mK。使用公式[1],这种通孔在1.6mm厚的PCB中的热阻为97.5°C/W.

每个单独的通孔似乎都不会影响散热,但总的来说,LED的导热垫下面有多个过孔,过孔会影响温度。例如,如果阵列包括五个热通孔,则与热源垂直的面积增加五倍,因此组合的热阻降至19.5W/K.

当考虑FR-4的附加热阻时,计算将完成,因为大部分焊盘区域仍然由FR-4组成。

为了使计算保持相对简单,假设过孔和FR-4的热阻再次并行。然后可以通过以下公式计算热阻:

Rth = 1/(1/Rth via + 1/Rth FR-4)

结果是15.7°C/W,或比FR-好80%仅4。 (注意:此计算忽略了计算FR-4热阻时过孔占据的焊盘区域)。

这是一个简化的案例,假设PCB的下侧保持在合理的环境温度下。实际上,可能需要额外的散热器来从下侧散热。通过向PCB添加热过孔并降低基板的热阻,可以指定比其他方式所需的更小,更便宜的散热器。

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