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大功率LED的散熱問題： LED是個(gè)光電器件，其工作過程中只有15%～25%的電能轉(zhuǎn)換成光能，其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱是個(gè)大問題。例如，1個(gè)10W白光LED若其光電轉(zhuǎn)換效率為20%，則有8W的電能轉(zhuǎn)換成熱能，若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會(huì)急速上升，當(dāng)其結(jié)溫(TJ)上升超過最大允許溫度時(shí)(一般是150℃)，大功率LED會(huì)因過熱而損壞。因此在大功率LED燈具設(shè)計(jì)中，最主要的設(shè)計(jì)工作就是散熱設(shè)計(jì)。 另外，一般功率器件(如電源IC)的散熱計(jì)算中，只要結(jié)溫小于最大允許結(jié)溫溫度(一般是125℃)就可以了。但在大功率LED散熱設(shè)計(jì)中，其結(jié)溫TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ對LED的出光率及壽命有較大影響：TJ越高會(huì)使LED的出光率越低，壽命越短。 K2系列白光LED的結(jié)溫TJ與相對出光率的關(guān)系。在TJ=25℃時(shí)，相對出光率為1;TJ=70℃時(shí)相對出光率降為0.9;TJ=115℃時(shí)，則降到0.8了。 ?。篢J=50℃時(shí)，壽命為90000小時(shí);TJ=80℃時(shí)，壽命降到34000小時(shí);TJ=115℃時(shí)，其壽命只有13300小時(shí)了。TJ在散熱設(shè)計(jì)中要提出最大允許結(jié)溫值TJmax,實(shí)際的結(jié)溫值TJ應(yīng)小于或等于要求的TJmax,即TJ≤TJmax。 大功率LED的散熱路徑. 大功率LED在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是十分重視散熱的。圖2是Lumiled公司K2系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、圖3是NICHIA公司NCCW022的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從這兩圖可以看出：在管芯下面有一個(gè)尺寸較大的金屬散熱墊，它能使管芯的熱量通過散熱墊傳到外面去。 大功率LED是焊在印制板(PCB)上的，如圖4所示。散熱墊的底面與PCB的敷銅面焊在一起，以較大的敷銅層作散熱面。為提高散熱效率，采用雙層敷銅層的PCB，其正反面圖形如圖5所示。這是一種最簡單的散熱結(jié)構(gòu)。 熱是從溫度高處向溫度低處散熱。大功率LED主要的散熱路徑是：管芯→散熱墊→印制板敷銅層→印制板→環(huán)境空氣。若LED的結(jié)溫為TJ，環(huán)境空氣的溫度為TA,散熱墊底部的溫度為Tc(TJ>Tc>TA)，散熱路徑如圖6所示。 在熱的傳導(dǎo)過程中，各種材料的導(dǎo)熱性能不同，即有不同的熱阻。若管芯傳導(dǎo)到散熱墊底面的熱阻為RJC(LED的熱阻)、散熱墊傳導(dǎo)到PCB面層敷銅層的熱阻為RCB、PCB傳導(dǎo)到環(huán)境空氣的熱阻為RBA,則從管芯的結(jié)溫TJ傳導(dǎo)到空氣TA的總熱阻RJA與各熱阻關(guān)系為： RJA=RJC+RCB+RBA 各熱阻的單位是℃/W。 可以這樣理解：熱阻越小，其導(dǎo)熱性能越好，即散熱性能越好。 如果LED的散熱墊與PCB的敷銅層采用回流焊焊在一起，則RCB=0，則上式可寫成： RJA=RJC+RBA 散熱的計(jì)算公式 若結(jié)溫為TJ、環(huán)境溫度為TA、LED的功耗為PD,則RJA與TJ、TA及PD的關(guān)系為： RJA=(TJ-TA)/PD (1) 式中PD的單位是W。PD與LED的正向壓降VF及LED的正向電流IF的關(guān)系為： PD=VF×IF (2) 如果已測出LED散熱墊的溫度TC，則(1)式可寫成： RJA=(TJ-TC)/PD+(TC-TA)/PD 則RJC=(TJ-TC)/PD (3) RBA=(TC-TC)/PD (4) 在散熱計(jì)算中，當(dāng)選擇了大功率LED后，從數(shù)據(jù)資料中可找到其RJC值;當(dāng)確定LED的正向電流IF后，根據(jù)LED的VF可計(jì)算出PD;若已測出TC的溫度，則按(3)式可求出TJ來。 在測TC前，先要做一個(gè)實(shí)驗(yàn)板(選擇某種PCB、確定一定的面積)、焊上LED、輸入IF電流，等穩(wěn)定后，用K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測LED的散熱墊溫度TC。 在(4)式中，TC及TA可以測出，PD可以求出，則RBA值可以計(jì)算出來。 若計(jì)算出TJ來，代入(1)式可求出RJA。 這種通過試驗(yàn)、計(jì)算出TJ方法是基于用某種PCB及一定散熱面積。如果計(jì)算出來的TJ小于要求(或等于)TJmax，則可認(rèn)為選擇的PCB及面積合適;若計(jì)算來的TJ大于要求的TJmax，則要更換散熱性能更好的PCB，或者增加PCB的散熱面積。 另外，若選擇的LED的RJC值太大，在設(shè)計(jì)上也可以更換性能上更好并且RJC值更小的大功率LED，使?jié)M足計(jì)算出來的TJ≤TJmax。這一點(diǎn)在計(jì)算舉例中說明。 各種不同的PCB 目前應(yīng)用與大功率LED作散熱的PCB有三種：普通雙面敷銅板(FR4)、鋁合金基敷銅板(MCPCB)、柔性薄膜PCB用膠粘在鋁合金板上的PCB。 MCPCB的結(jié)構(gòu)如圖7所示。各層的厚度尺寸如表3所示。 其散熱效果與銅層及金屬層厚如度尺寸及絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱性有關(guān)。一般采用35μm銅層及1.5mm鋁合金的MCPCB。 柔*PCB粘在鋁合金板上的結(jié)構(gòu)如圖8所示。一般采用的各層厚度尺寸如表4所示。1～3W星狀LED采用此結(jié)構(gòu)。 采用高導(dǎo)熱性介質(zhì)的MCPCB有最好的散熱性能，但價(jià)格較貴。 計(jì)算舉例 這里采用了NICHIA公司的測量TC的實(shí)例中取部分?jǐn)?shù)據(jù)作為計(jì)算舉例。已知條件如下： LED：3W白光LED、型號MCCW022、RJC=16℃/W。K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測量頭焊在散熱墊上。 PCB試驗(yàn)板：雙層敷銅板(40×40mm)、t=1.6mm、焊接面銅層面積1180mm2背面銅層面積1600mm2。 LED工作狀態(tài)：IF=500mA、VF = 3.97V。 用K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測TC，TC=71℃。測試時(shí)環(huán)境溫度TA = 25℃. 1.TJ計(jì)算 TJ=RJC×PD+TC=RJC(IF×VF)+TC TJ=16℃/W(500mA×3.97V) +71℃=103℃ 2.RBA計(jì)算 RJA=(TC-TA)/PD =(71℃-25℃)/1.99W =23.1℃/W 3.RJA計(jì)算 RJA=RJC+RBA =16℃/W+23.1℃/W =39.1℃/W 如果設(shè)計(jì)的TJmax=90℃，則按上述條件計(jì)算出來的TJ不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要改換散熱更好的PCB或增大散熱面積，并再一次試驗(yàn)及計(jì)算，直到滿足TJ≤TJmax為止。 另外一種方法是，在采用的LED的RJC值太大時(shí)，若更換新型同類產(chǎn)品RJC=9℃/W(IF=500mA時(shí)VF=3.65V)，其他條件不變，TJ計(jì)算為： TJ=9℃/W(500mA×3.65V)+71℃ =87.4℃ 上式計(jì)算中71℃有一些誤差，應(yīng)焊上新的9℃/W的LED重新測TC(測出的值比71℃略小)。這對計(jì)算影響不大。采用了9℃/W的LED后不用改變PCB材質(zhì)及面積，其TJ符合設(shè)計(jì)的要求。 PCB背面加散熱片 若計(jì)算出來的TJ比設(shè)計(jì)要求的TJmax大得多，而且在結(jié)構(gòu)上又不允許增加面積時(shí)，可考慮將PCB背面粘在"∪"形的鋁型材上(或鋁板沖壓件上)，或粘在散熱片上，如圖10所示。這兩種方法是在多個(gè)大功率LED的燈具設(shè)計(jì)中常用的。例如，上述計(jì)算舉例中，在計(jì)算出TJ=103℃的PCB背后粘貼一個(gè)10℃/W的散熱片，其TJ降到80℃左右。 這里要說明的是，上述TC是在室溫條件下測得的(室溫一般15～30℃)。若LED燈使用的環(huán)境溫度TA大于室溫時(shí)，則實(shí)際的TJ要比在室溫測量后計(jì)算的TJ要高，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這個(gè)因素。若測試時(shí)在恒溫箱中進(jìn)行，其溫度調(diào)到使用時(shí)最高環(huán)境溫度，為最佳。 另外，PCB是水平安裝還是垂直安裝，其散熱條件不同，對測TC有一定影響，燈具的外殼材料、尺寸及有無散熱孔對散熱也有影響。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要留有余地。 1、2年以上電子設(shè)備熱分析、熱設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)，了解有限元及傳熱模擬知識(shí)，有LED照明產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)者尤佳; 2、從事過電子產(chǎn)品散熱模組的研究開發(fā)，對大功率LED散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定經(jīng)驗(yàn)者優(yōu)先，如：支架、基板、散熱器等; 3、精通熱傳導(dǎo)、散熱理論，能夠獨(dú)立分析產(chǎn)品的熱能，對金屬材料表面處理工藝的導(dǎo)熱與散熱性能有深入了解; 4、掌握常用散熱技術(shù)、散熱器選型方法，能夠熟練使用熱分析軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，如：Fluent、Ansys、Desingspace等; 5、有高度的責(zé)任心和敬業(yè)心，有團(tuán)隊(duì)合作精神和良好的溝通協(xié)調(diào)能力，能夠獨(dú)立完成項(xiàng)目開發(fā)。 3年以上LED照明產(chǎn)品光學(xué)設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)，擅長LED 透鏡設(shè)計(jì)，對光學(xué)模具有深入的了解，熟悉照明行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn); 2、精通光學(xué)原理，特別是各種透鏡的原理及其應(yīng)用，有扎實(shí)的光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，會(huì)分析光路中出現(xiàn)的干擾并找出解決辦法; 3、熟練操作光學(xué)軟件TracePro、Lighttools、ASAP、Calelux、 Zemax等光學(xué)設(shè)計(jì)軟件之一。 4、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、溝通能力. 能夠解決 LED路燈防雨、防曬、通風(fēng)、散熱的處理要求; 5、熟悉照明行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的測試方法，對LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向有深入全面的了解; 6、具備較強(qiáng)的溝通、協(xié)調(diào)能力與項(xiàng)目管理知識(shí); 7、有良好的職業(yè)道德，能吃苦耐勞，有鉆研精神與工作熱情，工作認(rèn)真仔細(xì);有較強(qiáng)的判斷、決策、計(jì)劃與執(zhí)行能力; 8、熟練掌握Pro/e、3DMX、CAD 好的表達(dá)能力和溝通能力，具有團(tuán)隊(duì)精神; 2、熟悉戶外燈具、室內(nèi)燈具、小夜燈等產(chǎn)品的開發(fā)、測試和生產(chǎn); 3、熟悉LED燈珠及LED燈具的發(fā)光特性，熟悉二次光學(xué)設(shè)計(jì); 4、熟練使用zemax、lightools、tracepro等光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中的一種或幾種; 5、良好的光度學(xué)和色度學(xué)基礎(chǔ); 、根據(jù)公司戰(zhàn)略規(guī)劃，結(jié)合Led 應(yīng)用產(chǎn)品行業(yè)前景，提出研發(fā)部戰(zhàn)略規(guī)劃。 2、根據(jù)戰(zhàn)略規(guī)劃，擬定新產(chǎn)品開發(fā)計(jì)劃及預(yù)算控制方案。 3、組織實(shí)施已批準(zhǔn)的產(chǎn)品開發(fā)計(jì)劃方案，并確保計(jì)劃方案按進(jìn)度實(shí)施，達(dá)成目標(biāo)。 4、編寫或?qū)徍诵庐a(chǎn)品開發(fā)的可行性報(bào)告。 5、研發(fā)技術(shù)的沉淀及運(yùn)用和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)上市。 6、產(chǎn)品制程工藝及BOM的制定及完善、改進(jìn)、創(chuàng)新。 7、新產(chǎn)品量產(chǎn)的規(guī)劃及工藝技術(shù)，品質(zhì)控制。 8、負(fù)責(zé)部門下屬的培訓(xùn)、考核激勵(lì)、教育訓(xùn)練及人才梯隊(duì)培養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)建設(shè)、管理。 9、協(xié)助市場部解決客戶技術(shù)問題及應(yīng)客戶需求實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品推陳出新。 10、參與公司戰(zhàn)略規(guī)劃和年度計(jì)劃。 三、崗位要求： 1、電子類或照明工業(yè)、機(jī)械制造專業(yè)本科以上學(xué)歷。 2、有LED燈應(yīng)用產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)5年以上(具有獨(dú)立LED室內(nèi)照明產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)、制造的經(jīng)驗(yàn))。 3、具備研發(fā)技術(shù)團(tuán)隊(duì)建設(shè)和管理能力。 4、具備從產(chǎn)品規(guī)劃和項(xiàng)目實(shí)施、產(chǎn)品量產(chǎn)及產(chǎn)品推陳出新、量產(chǎn)上市的能力。 5、誠信、嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真、積極主動(dòng)、擔(dān)當(dāng)。 6、思維敏捷、卓識(shí)遠(yuǎn)見、邏輯思維強(qiáng)，極富創(chuàng)新性和團(tuán)隊(duì)精神。 7、對LED照明市場有廣泛而深刻的認(rèn)識(shí)，在LED照明方面有獨(dú)道見解。 LED散熱計(jì)算 LED散熱模型 LED散熱途徑分析與改善趨勢 LED散熱計(jì)算公式 LED 散熱 LED散熱條件 解析LED散熱的疑問 教你認(rèn)清LED散熱五大誤區(qū)和學(xué)會(huì)如何解決 克服LED散熱問題點(diǎn)亮照明路 |
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