LED熱管理中散熱器的選擇

當高亮度LED的前向電流增加而封裝尺寸減小，熱逸散及災難性故障的潛在也隨之增加。在眾多LED應用中，由于極端的高溫環境，需要更高級別的保護。

　　熱折返是減少LED故障及避免因為過熱而導致LED壽命縮短的常用方法。這種控制方法使用一個與溫度成反比的信號，在設置溫度斷點后降低LED的電流。

以下介紹兩個例子：一個100W路燈應用和一個12W的軍用手電筒應用。這兩個實例介紹了較為復雜的系統與較為簡單的系統間的區別及各自的設計流程。

　　背景

　　在使用大功率LED的傳統照明應用中，需要大的散熱器來排出LED所釋放的熱量。LED自身不散熱，相反，它們通過半導體結點來傳導熱量。此傳導功率（PD）等于前向電壓（VF）和前向電流（IF）的乘積。

　　PD=VF×IF

　　為了保持一個安全的LED結點溫度，必須消除這個傳導功率。需要對系統中的熱阻抗進行分析，才能在額定功率下定制一個散熱器以確保期望的熱特性 。

　　一個典型的大功率LED將通過其器件、錫焊連接點、印刷電路板和散熱器來消耗大部分功率。如圖1所示。使用這個簡單的模型，計算就相當簡單。LED結點的功率耗散（PD），必須通過結點-環境的總熱阻（θJA）分配，這一點與電流通過電氣電阻時極其相像。

　　由此產生的結點溫度（TJ）和環境溫度（TA）之間的溫度差（TJ-TA）等于一個電氣電壓（歐姆定律的熱當量）：

　　TJ-TA=PD×θJA

　　θJA 指下列各值的總和。

　　θJS：結點至錫焊點熱阻；

　　θSH：錫焊點至散熱器熱阻；

　　θHA：錫焊點至環境熱阻。

　　θJS代表內部的LED熱阻，而θSH代表印刷電路板（PCB）電介質和結點熱阻。最后，θHA代表散熱器熱阻，θJS值為LED制造商數據表中指定值，并且是一個簡單的LED封裝函數。它可以在2~15℃/W的范圍內變化。假如從錫焊點到散熱器的連接良好（包括：多重熱導通孔，適量的銅，良好的焊接和可能用到的導熱膠），θSH則基本上可以忽略不計。這將產生一個小于2℃/W的極低θSH值。

　　θHA保持不變，因為它更多地取決于散熱器表面積及其導熱性能。在標準的FR4印刷電路板上（近似于LED的尺寸），沒有外部散熱器，僅有底部覆銅層，θHA值可能會非常大，超過100℃/W。通過圖1所示的外部散熱器，可降低熱阻來保持理想的溫度差 （TJ-TA）。熱設計需要根據下列θHA方程式，選擇合適的散熱器：

　　通過該方程可以很容易算出，如果功率增加或允許的溫度差降低，那么必要的熱阻將隨之降低，而這相當于需要一個更大的散熱器。

　　實際應用中 ，在系統使用壽命期內，由于存在前向電壓及其他電子偏差，輸出LED功率會增加5%~10%前向。可能的溫度上升范圍需根據最差情況下預計的TA值計算。此外，在制造商規定的規格中，通常會降低最大允許的TJ值，以確保LED使用壽命和效率不會降低 。這些容差迫使我們提升最壞情況下的散熱設計標準，要比標定時提高25%~50%。

　　LED驅動器

　　這些LED僅僅是具有LED驅動器主控機制的動態系統的組成之一。高亮度LED驅動器通常是通過開關轉換器支持其工作。轉換器對系統進行調節以提供一個近似于恒定的LED光通量輸出。驅動器可適應不斷變化的動態情況，提供連續調節，保證系統電氣穩定性。在最常見的LED驅動器中，需要對輸出電流進行調節，因為它與輸出通量有著密切的關系并易于做出調整。

　　盡管電氣穩定性是控制方案的根本，但熱平衡是可控變量（LED電流）和不可控變量（環境）的函數。隨著環境溫度從25℃的室溫增高時，LED的前向電壓降低。因為電流被不斷調整，因此功率降低，最終達到實現結點熱平衡的目的。但最終環境溫度的升高會導致結溫超過LED的安全工作范圍。此時，LED內的各種元件性能降低、惡化，最終導致熱逸散和災難性的LED故障。