LED光源模塊的散熱分析

李德峰

(石家莊市環(huán)城公路建設(shè)指揮部辦公室)

1 引言

半導(dǎo)體照明是繼白熾燈發(fā)明以來，照明領(lǐng)域最重要革命。半導(dǎo)體照明與傳統(tǒng)照明光源最大的不同在于它的光線不是由熱而發(fā)光，而是通過自由電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生能級躍遷發(fā)光，半導(dǎo)體光源是真正意義上的綠色光源，具有壽命長、能耗底、發(fā)光效率高、穩(wěn)定性好、無頻閃、無紅外和紫外輻射等優(yōu)點。但是，半導(dǎo)體光源在將電能轉(zhuǎn)化為光能的同時也產(chǎn)生大量的熱量，與傳統(tǒng)熱致發(fā)光光源完全相反的是這些熱對于半導(dǎo)體發(fā)光材料來講毫無益處，它會導(dǎo)致發(fā)光效率降低、光衰，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致壽命下降甚至發(fā)光器件失效。因此，半導(dǎo)體光源的散熱問題是提高光源發(fā)光效率和可靠性的關(guān)鍵，也是半導(dǎo)體照明推廣發(fā)展的最大障礙之一。

LED光源的熱通路一般由熱阻和熱容組成，根據(jù)熱路和電路相似的原理，可以對LED芯片的結(jié)溫其進(jìn)行瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析，本文針對集成封裝的LED平面光源模塊，用自動控制理論中傳遞函數(shù)的分析方法，對LED光源模塊加電后芯片結(jié)溫溫升變化規(guī)律進(jìn)行了推導(dǎo)，提出了LED光源在實際應(yīng)用中的散熱設(shè)計和分析方法。

2 LED光源模塊的散熱結(jié)構(gòu)

LED光源模塊由多個LED芯片固在鋁基板上，通過串并聯(lián)組合成各種形狀和功率，以適應(yīng)不同用途的功能模塊。芯片的散熱通路為芯片—絕緣膜—鋁基板—散熱片—環(huán)境(圖1)，為方便說明，這里忽略固晶膠膜、銅膜、鋁基板和散熱片連接處的影響。根據(jù)熱路與電路相似原理，每個散熱單元可以用以下電路形式模擬:其中P代表熱源，R代表耗散熱阻，C代表散熱單元的熱容。

圖1 光源模塊散熱結(jié)構(gòu)

對于圖1所示的LED模塊，散熱單元由芯片、絕緣膜、鋁基板、散熱片等組成，散熱單元之間由傳導(dǎo)熱阻連接，由于散熱片不可能是等溫度的，散熱片的整體熱路應(yīng)由多個如圖2所示的散熱單元組成。

為分析方便，對于整個模塊的散熱熱路可以等效簡化為圖3。

上圖中，P為熱源，C1為模塊內(nèi)部等效熱容，R1為傳導(dǎo)熱阻，C2為外部散熱等效熱容，R2為整體等效熱阻。

圖2 散熱單元的熱路圖

圖3 光源模塊的等效熱路

3 數(shù)學(xué)模型

在圖3，A點的溫度就是芯片的結(jié)溫溫升，B點溫度為環(huán)境溫度，我們把熱源的功率作為輸入量，把A點到B點的溫度差作為輸出量，可以將圖三抽象成為一個控制系統(tǒng)。

圖4

其中H(S)為傳遞函數(shù)，根據(jù)熱路與電路相似的原理，H(S)可以認(rèn)為是系統(tǒng)的整體熱抗，不難推導(dǎo):

可以看出上述傳遞函數(shù)H(S)的分母部分是關(guān)于S的二次多項式，對于開關(guān)加電過程，輸入量的時域函數(shù)可以描述為階躍輸入，其拉普拉斯變換為:

其中A為電功率強度，那么輸出量為

假設(shè)H(S)分母的二次多項式有兩個實根S1、S2，那么T(S)就一定可以展開為

式中K0、K1、K2為待定系數(shù)，可以通過解方程的辦法方便求得，S1、S2、K0、K1、K2的解析表達(dá)式為

4 LED芯片結(jié)溫的時域分析

對于T(S)的展開表達(dá)式進(jìn)行拉普拉斯反變換，可以得知LED芯片PN結(jié)的溫升符合以下規(guī)律:

顯然，上式中當(dāng)S1、S2小于零時T(t)將收斂于K0，根據(jù)模塊加電后，LED芯片結(jié)溫溫升隨時間升高并逐漸趨向穩(wěn)定的物理過程可以判斷我們假設(shè)H(S)的分母為兩個實數(shù)解是正確的，因為如果存在虛數(shù)解，則結(jié)溫溫升的時域表達(dá)式將存在正弦分量，即其物理過程有振蕩現(xiàn)象，根據(jù)其收斂性還可以確定這兩個實數(shù)解一定是負(fù)數(shù)。

由T(t)的表達(dá)式可以描繪LED芯片結(jié)溫溫升隨加電時間的變化曲線為:

圖5 LED芯片結(jié)溫溫升隨加電時間變化規(guī)律

在光源加電使用時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱平衡過程的情況下，設(shè)計人員最關(guān)心的是LED芯片結(jié)溫溫升的收斂值即K0，從K0的表達(dá)式中可以看出，K0只與輸入功率和芯片傳導(dǎo)熱阻、系統(tǒng)等效熱阻有關(guān)。在光源封裝結(jié)構(gòu)、散熱材料等因素固定下來后，組成的系統(tǒng)熱阻不難用實驗的方法測得，因而芯片結(jié)溫溫升的收斂值也就可以在設(shè)計階段計算出來。同樣，用K0的表達(dá)式也可以在確定電功率輸入的情況下通過實測結(jié)溫溫升反推系統(tǒng)熱阻，這對于LED燈具設(shè)計方案確定階段具有有效的指導(dǎo)意義。

在實際應(yīng)用的設(shè)計中，可以利用EXCEL工具，將預(yù)測的R1、R2、C1、C2作為已知量，用上述公式自動計算 S1、S2、K0、K1、K2值，將T(t)的表達(dá)式按時間列表，以插入折線圖的形式將 T(t)描繪出來，適當(dāng)調(diào)整 R1、R2、C1、C2，觀察 T(t)曲線變化規(guī)律及曲線收斂值K0，從而可完成LED燈具的初步的散熱設(shè)計;在產(chǎn)品設(shè)計初樣階段，可根據(jù)實測數(shù)據(jù)與理論設(shè)計的散熱曲線進(jìn)行比對，進(jìn)一步修正熱阻、熱容參數(shù)，使理論設(shè)計與實測數(shù)據(jù)盡可能接近，這樣可以確定產(chǎn)品散熱系統(tǒng)的準(zhǔn)確參數(shù)。系統(tǒng)散熱參數(shù)的調(diào)整過程，同時也為產(chǎn)品設(shè)計提供了優(yōu)化方向。

5 結(jié)論

用自動控制系統(tǒng)中傳遞函數(shù)的概念對LED光源的散熱進(jìn)行分析，可以得出LED芯片結(jié)溫溫升隨時間變化一般規(guī)律，從而為LED燈具的散熱設(shè)計提供依據(jù)。從上述LED光源模塊的散熱模型建立過程可以看出，上述模型也基本適用于其它形式的LED光源散熱分析。

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