大功率LED如何高效率進行散熱處理？

　　計算舉例

　　這里采用了NICHIA公司的測量TC的實例中取部分數據作為計算舉例。已知條件如下：

　　LED：3W白光LED、型號MCCW022、RJC=16℃/W。K型熱電偶點溫度計測量頭焊在散熱墊上。

　　PCB試驗板：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：IF=500mA、VF = 3.97V。

　　按圖9用K型熱電偶點溫度計測TC，TC=71℃。測試時環境溫度TA = 25℃。

　　1.TJ計算

　　TJ=RJC×PD+TC=RJC（IF×VF）+TC

　　TJ=16℃/W（500mA×3.97V）

　　+71℃=103℃

　　圖9 TC測量位置圖

　　2.RBA計算

　　RJA=（TC－TA）/PD

　　=（71℃－25℃）/1.99W

　　=23.1℃/W

　　3.RJA計算

　　RJA=RJC+RBA

　　=16℃/W+23.1℃/W

　　=39.1℃/W

　　如果設計的TJmax=90℃，則按上述條件計算出來的TJ不能滿足設計要求，需要改換散熱更好的PCB或增大散熱面積，并再一次試驗及計算，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，若更換新型同類產品RJC=9℃/W（IF=500mA時VF=3.65V），其他條件不變，TJ計算為：

　　TJ=9℃/W（500mA×3.65V）+71℃

　　=87.4℃

　　上式計算中71℃有一些誤差，應焊上新的9℃/W的LED重新測TC（測出的值比71℃略小）。這對計算影響不大。采用了9℃/W的LED后不用改變PCB材質及面積，其TJ符合設計的要求。

　　PCB背面加散熱片

　　若計算出來的TJ比設計要求的TJmax大得多，而且在結構上又不允許增加面積時，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大功率LED的燈具設計中常用的。例如，上述計算舉例中，在計算出TJ=103℃的PCB背后粘貼一個10℃/W的散熱片，其TJ降到80℃左右。

　　圖10 “∪”形鋁型材

　　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燈使用的環境溫度TA大于室溫時，則實際的TJ要比在室溫測量后計算的TJ要高，所以在設計時要考慮這個因素。若測試時在恒溫箱中進行，其溫度調到使用時最高環境溫度，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，在設計時要留有余地。

　　結束語

　　采用一定散熱面積的PCB、裝上LED的試驗板，在LED工作狀態下測出TC再計算的方法來作散熱設計是一種簡便、有效的方法，可以較好地設計出滿足結溫TJmax要求的散熱結構（PCB材質及面積）。

　　這種散熱設計方法除適用于大功率白光LED的照明燈具外，也適用于其他發光顏色的大功率LED燈具，如警示燈、裝飾燈等。

　　LED驅動電源設計和實現：

　　近幾年LED作為新型節能光源在全球和中國都贏得得了很高的投資熱情和極大關注，并由戶外向室內照明應用市場滲透，中國也涌現出大大小小上萬家LED照明企業。讓LED照明大放異彩的最主要原因正是其宣揚的具有節能、環保、長壽命、易控制、免維護等特點。

　　然而頗具諷刺意味的是，我們常常聽聞由于LED驅動電源本身的壽命直接拖累LED照明燈具變得并不“長壽”，極大地增加了維護/使用成本；或者驅動電源的效率不高導致LED照明燈具的能效轉換比并不是想象中那么高，或者由于輸出電流紋波沒有得到很好的控制影響了發光品質，使得LED照明的綠色節能優勢大打折扣，甚至影響了市場普及。

　　LED驅動電源的可靠性和能效是測試關鍵

　　1.高可靠性和壽命：驅動電源的壽命要與LED的壽命相適配，特別對像LED路燈的驅動電源，因為裝在高空，維修不方便，維修的花費也大；

　　2.高效率：對于電源安裝在LED燈具內的結構，這一點尤為重要。因為LED的發光效率隨著LED溫度的升高而下降，所以LED的散熱非常重要。電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內發熱量就小，也就降低了燈具的溫升，對延緩LED的光衰有利。

　　3.高功率因數 ：隨著社會對供電質量的要求不斷提高，人們越來越關注用電設備帶來的電能質量和諧波問題。如歐盟已經發布標準，規定功率大于25W的電源設備必須具備功率因數校正電路。而其他很多國家對于30 ~40W的LED驅動電源，據說不久也將可能會對功率因數方面有一定的指標要求。

　　4. 恒流驅動：現在通行的有兩種：一種是一個恒壓源供多個恒流源，每個恒流源單獨給每路LED供電。這種方式組合靈活，一路LED故障，不影響其他LED的工作，但成本會略高一點。另一種是直接恒流供電，LED串聯或并聯運行。它的優點是成本低一點，但靈活性差，還要解決某個LED故障不影響其他LED運行的問題。

　　5.適當的輸出紋波：輸出紋波會影響LED的光輸出效果。但減小紋波需要使用更高品質和容量的電容。為提高電源整體的使用壽命，設計師往往傾向于采用無電容方案。工程師必須在輸出紋波指標上確定折中方案。

　　6.浪涌保護：LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。有些LED燈裝在戶外，由于電網負載的啟甩和雷擊的感應，從電網系統會侵入各種浪涌，有些浪涌會導致LED的損壞。因此LED驅動電源要有抑制浪涌的侵入，保護LED不被損壞的能力。

　　7.保護功能： 電源除了常規的保護功能外，最好在恒流輸出中增加LED溫度負反饋，防止LED溫度過高。

　　8.防護方面：對燈具外安裝型結構，電源結構要防水、防潮，外殼要耐曬。

　　9.要符合安規和電磁兼容的要求。人

　　要達到高品質的驅動電源設計標準，就需要進行全面的測試測量分析，如圖1所示，LED照明測試主要包括5個部分：電源質量、諧波、功率開關器件測量、調制分析以及驅動輸出參數測試。