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簡析靜態冷卻與瞬態冷卻如何進行LED熱量管理

LED是複雜的設備。LED不僅存在與半導體設計和操作相關的常見問題,而且LED主要用於發光。因此,光學塗層、光束管理裝置如反射器和透鏡、波長轉換熒光體等存在進一步的係統複雜性。盡管如此,熱量管理對於可靠的固態照明(SSL)產品而言至關重要。此外,您需要了解如何在靜態和瞬態背景下冷卻LED。

對於LED,需要遵守兩個熱管理參數。一個是所需的工作溫度,另一個是最高工作溫度。通常,所需的工作溫度需要盡可能低。實現這一點可以確保高電光效率、良好的光譜質量和長的器件壽命。在高溫下操作不僅會降低LED產生的光,而且質量和數量方麵也會降低,最終會觸發許多故障機製。

LED製造商對這些缺陷很精通,能夠設計出高達130°C結溫的產品。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可能隻有5%的效率。在這兩種情況下,必須通過傳導去除剩餘的熱量以防止過熱。這是LED光源或照明設計師的責任。

  靜態冷卻LED

將LED保持冷卻的常規方法是將LED器件安裝在散熱器上。來自LED的熱量通過傳導進入散熱器,然後散發到空氣中。假如熱量被水或其他流體除去,散熱器有時被稱為冷板,因為相關聯的散熱係統經常要設計工作流體處於低於室內環境的固定溫度。

從LED到散熱片能否有效運輸熱量取決於高導熱性的材料。 例如,從圖1的圖表中可以看出,銅優於鋁和黃銅,又優於不鏽鋼。

 

圖1. 材料具有不同程度的導熱性。

雖然銅在這些金屬中是最佳的熱導體,但是導熱係數與材料的厚度無關。通過材料傳導傳遞熱量的能力主要跟熱阻有關,厚度越厚,熱阻越大。

  電介質和氣流

例如,中高功率LED陣列通常建立在導熱PCB上。在頂麵,有銅板與LED進行電連接,而在下麵有一塊鋁來傳導熱量。在銅和鋁之間有一電介質層,以防止銅板對鋁的電短路。各製造商在選擇介電材料方麵采取了不同的方法,從有機材料到無機化合物,涵蓋了整個光譜。如圖2所示,熱電阻最小的電介質材料幾乎是一個數量級的,可以應用最薄的電介質材料,同時仍能提供所需的絕緣隔離。

圖2. 電介質材料的厚度會影響耐熱性。

但是,圖2並沒有說明全部。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麵。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了額外的障礙,其大小可能很大、難以預測、並隨時間而變化。

係統中所有熱阻和界麵電阻的串聯/並行加法稱為熱阻抗,設計導通路徑以保持LED冷卻。計算類似於電阻網絡。在圖3中,電壓本質上就是溫度,電流是熱通量,所得電阻是熱阻。

 

 

圖3. 在開發工作中,您可以依賴於熱傳導路徑的等效電阻。為了得到一個完整的熱阻抗係統模型,必須在材料之間的每個過渡處添加熱界麵電阻。

  瞬態冷卻LED

先前的討論是假設在穩定狀態,即LED永久地通電並且散熱器將熱能連續地耗散到周圍空氣中。這種熱模型在兩種情況下會出現故障。一種是在接通LED時,更通常地是在脈衝操作中。令人驚訝的是,可以設計一條熱路徑,在連續工作時保持LED冷卻,但是在接通時會過熱。當這樣操作時,相關聯的熱偏移可能讓LED突然出現故障,類似於鎢絲燈絲開啟時突然斷裂一樣。因此,LED的熱解決方案設計需要考慮瞬態操作,並且包括時間和空間變量。

  時間依賴

瞬態冷卻的時間分量是由於熱路徑中材料的比熱容量而產生的。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)時吸收(或放出)熱量的性質。熱容量的大小用比熱容(簡稱比熱)表示。

圖4. 熱傳導的時間依賴是由於係統中材料的熱容量而導致的,電等效模型是RC低通濾波器。

電氣模型類比意味著熱阻抗有時用於描述材料的時間相關的熱性質。請注意,這時要注意區分,因為熱阻抗也可以用來描述整個係統的靜態熱阻。

  空間依賴

瞬態冷卻的空間分量源於熱量往哪個方向擴散多一些。比如,一個安裝在大的薄金屬板上的LED。最初,整個板處於環境溫度。LED作為點熱源。在接通時,LED會產生熱量,通過傳導將熱量傳遞到板中。熱量快速通過金屬板,提高了LED下方區域的溫度。因此,最先的時候,金屬板的一小部分是來冷卻LED的。金屬板的導電性意味著LED的一些熱量會在板內橫向擴展,最終出現在表麵上(圖5所示)。因此,參與冷卻LED的金屬板的體積會隨時間而增加,導致熱阻和熱容量出現明顯改變。

 

圖5. 一個熱體在薄金屬板上,這種簡單的有限元熱模型通過參與冷卻的板材體積的變化表現空間依賴性。這些模型的計算按照從左上到右下時間增加來進行的。

當路徑中存在高熱阻的界麵或層時,空間依賴特別重要。通過采取措施就將熱量散布在該屏障之前最大的可能區域,這樣在穩態和脈衝操作中,LED可以達到更好的冷卻。

對流和輻射

高於環境溫度的任何材料都會通過對流和輻射而失去熱量。雖然這些是鎢絲燈冷卻的主要機製,但它們在LED的熱管理中起著很小的作用。但是,應該將對流和輻射包括在任何模式中,目的是確保最接近現實情況。

總之,LED必須被冷卻,以達到最佳的效率並確保其光輸出的穩定和壽命。可以使用基於電氣部件的模型來構造簡單的熱傳導穩態模型。但是,為了正確理解熱路徑,特別是在瞬態條件下的反應,最好使用可以適應時間、空間和溫度變化的工具。

熱傳導的時間和空間依賴性解釋了為什麽在材料選擇方麵存在層次結構。高比熱容或熱導率會隨著材料在熱路徑中的位置和LED預期的操作模式而改變。

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