LED是復雜的設備。LED不僅存在與半導體設計和操作相關(guān)的常見(jiàn)問(wèn)題，而且LED主要用于發(fā)光。因此，光學(xué)涂層、光束管理裝置如反射器和透鏡、波長(cháng)轉換熒光體等存在進(jìn)一步的系統復雜性。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(gè)熱管理參數。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盡可能低。實(shí)現這一點(diǎn)可以確保高電光效率、良好的光譜質(zhì)量和長(cháng)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)量和數量方面也會(huì )降低，終會(huì )觸發(fā)許多故障機制。

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

將電子轉換為聲子，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(guò)傳導去除剩余的熱量以防止過(guò)熱。這是LED光源或照明設計師的責任。

　　靜態(tài)冷卻LED

將LED保持冷卻的常規方法是將LED器件安裝在散熱器上。來(lái)自L(fǎng)ED的熱量通過(guò)傳導進(jìn)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(shí)被稱(chēng)為冷板，因為相關(guān)聯(lián)的散熱系統經(jīng)常要設計工作流體處于低于室內環(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佳的熱導體，但是導熱系數與材料的厚度無(wú)關(guān)。通過(guò)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(jìn)行電連接，而在下面有一塊鋁來(lái)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(wú)機化合物，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)數量級的，可以應用薄的電介質(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并沒(méi)有說(shuō)明全部。假設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(lái)了額外的障礙，其大小可能很大、難以預測、并隨時(shí)間而變化。

系統中所有熱阻和界面電阻的串聯(lián)/并行加法稱(chēng)為熱阻抗，設計導通路徑以保持LED冷卻。計算類(lèi)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(kāi)發(fā)工作中，您可以依賴(lài)于熱傳導路徑的等效電阻。為了得到一個(gè)完整的熱阻抗系統模型，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

先前的討論是假設在穩定狀態(tài)，即LED永久地通電并且散熱器將熱能連續地耗散到周?chē)諝庵?。這種熱模型在兩種情況下會(huì )出現故障。一種是在接通LED時(shí)，更通常地是在脈沖操作中。令人驚訝的是，可以設計一條熱路徑，在連續工作時(shí)保持LED冷卻，但是在接通時(shí)會(huì )過(guò)熱。當這樣操作時(shí)，相關(guān)聯(lián)的熱偏移可能讓LED突然出現故障，類(lèi)似于鎢絲燈絲開(kāi)啟時(shí)突然斷裂一樣。因此，LED的熱解決方案設計需要考慮瞬態(tài)操作，并且包括時(shí)間和空間變量。

　　時(shí)間依賴(lài)

瞬態(tài)冷卻的時(shí)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(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. 熱傳導的時(shí)間依賴(lài)是由于系統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(lèi)比意味著(zhù)熱阻抗有時(shí)用于描述材料的時(shí)間相關(guān)的熱性質(zhì)。請注意，這時(shí)要注意區分，因為熱阻抗也可以用來(lái)描述整個(gè)系統的靜態(tài)熱阻。

　　空間依賴(lài)

瞬態(tài)冷卻的空間分量源于熱量往哪個(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)板處于環(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。金屬板的導電性意味著(zhù)LED的一些熱量會(huì )在板內橫向擴展，終出現在表面上(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，導致熱阻和熱容量出現明顯改變。

 

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空間依賴(lài)性。這些模型的計算按照從左上到右下時(shí)間增加來(lái)進(jìn)行的。

當路徑中存在高熱阻的界面或層時(shí)，空間依賴(lài)特別重要。通過(guò)采取措施就將熱量散布在該屏障之前大的可能區域，這樣在穩態(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(huì )通過(guò)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(zhù)很小的作用。但是，應該將對流和輻射包括在任何模式中，目的是確保接近現實(shí)情況。

總之，LED必須被冷卻，以達到佳的效率并確保其光輸出的穩定和壽命?？梢允褂没陔姎獠考哪Ｐ蛠?lái)構造簡(jiǎn)單的熱傳導穩態(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，好使用可以適應時(shí)間、空間和溫度變化的工具。

熱傳導的時(shí)間和空間依賴(lài)性解釋了為什么在材料選擇方面存在層次結構。高比熱容或熱導率會(huì )隨著(zhù)材料在熱路徑中的位置和LED預期的操作模式而改變。