¿Cuánta área de disipación de calor se requiere para las perlas de lámpara LED de alta potencia de 1 W?

En los últimos años, los LED de alta potencia se han desarrollado rápidamente, con grandes mejoras en estructura y rendimiento, mayor producción y precios reducidos; también se ha creado un único LED blanco de ultra alta potencia con una potencia de 100 W. sido desarrollado. En comparación con años anteriores, ha habido grandes avances en la eficiencia luminosa. Por ejemplo, el LED blanco de 20 W producido por Edison Company en los últimos años tiene un flujo luminoso de 700 lm y una eficiencia luminosa de 35 lm/W. El LED de luz blanca de 100W desarrollado en 2007 tiene un flujo luminoso de 6000lm y una eficiencia luminosa de 60lm/W. Para otro ejemplo, el LED de luz blanca K2 desarrollado recientemente por Lumiled Company se compara con sus productos similares de las series I y III, como se muestra en la Tabla 1. Se puede ver en la tabla que el LED blanco K2 tiene grandes mejoras en el flujo luminoso, la temperatura máxima de unión, la resistencia térmica y las dimensiones exteriores. El LED blanco frío XLamp XR~E recientemente lanzado por Cree tiene un brillo máximo QS de 107~114lm a 350mA. Estos LED de alta potencia con buen rendimiento crean las condiciones para el desarrollo de luminarias LED de luz blanca.

En los últimos años, varios accesorios de iluminación LED de luz blanca se fabricaban principalmente con LED de luz blanca de Φ5 de bajo consumo. Como bombillas de 1~5W, luces de tubo de 15~20W, farolas de 40~60W, luces de proyección, etc. Estas lámparas utilizan de docenas a cientos de LED blancos de Φ5, que tienen procesos de producción complejos, poca confiabilidad, altas tasas de falla, tamaños de carcasa grandes y brillo insuficiente. Para mejorar las deficiencias anteriores, en los últimos años, se han utilizado gradualmente LED blancos de alta potencia para reemplazar los LED blancos de Φ5 en el diseño de nuevas lámparas. Por ejemplo, una farola hecha de 18 LED blancos de 2 W costaría varios cientos si utiliza LED blancos de Φ5. Además, se puede utilizar un LED de luz blanca de la serie K2 de 1,25 W para crear una linterna potente con un flujo luminoso de 65 lm y la distancia de iluminación puede alcanzar decenas de metros. Es imposible hacerlo con LED de luz blanca Φ5.

El precio de las lámparas fabricadas con LED de alta potencia es mucho más elevado que el de las lámparas incandescentes, fluorescentes y de bajo consumo, pero su efecto de ahorro de energía y su vida útil también son mucho más elevados que los de otras lámparas. Si todas las lámparas LED se utilizan en sistemas de alumbrado público y lugares públicos con un gran consumo de electricidad, como salas de espera, grandes almacenes o supermercados y vestíbulos de hoteles de alta gama, la inversión única será alta, pero a largo plazo El efecto de ahorro de energía y la economía serán pobres. Vale la pena esperarlo.

En la actualidad, los LED blancos de alta potencia de 1~3W se utilizan principalmente como lámparas de iluminación debido a su alta eficiencia luminosa, bajo precio y aplicación flexible.

Problemas de disipación de calor de los LED de alta potencia

El LED es un dispositivo optoelectrónico Sólo del 15% al ​​25% de la energía eléctrica se convierte en energía luminosa durante su proceso de funcionamiento, y casi. todo el resto de la energía eléctrica se convierte en energía térmica, haciendo que la temperatura del LED aumente. En los LED de alta potencia, la disipación de calor es un gran problema. Por ejemplo, si la eficiencia de conversión fotoeléctrica de un LED blanco de 10 W es del 20%, 8 W de energía eléctrica se convertirán en energía térmica. Si no se toman medidas de disipación de calor, la temperatura central del LED de alta potencia aumentará rápidamente. su temperatura de unión (TJ) Cuando la temperatura supera la temperatura máxima permitida (generalmente 150 °C), los LED de alta potencia se dañarán debido al sobrecalentamiento. Por lo tanto, en el diseño de lámparas LED de alta potencia, la tarea de diseño más importante es el diseño de disipación de calor.

Además, en el cálculo de la disipación de calor de dispositivos de potencia generales (como circuitos integrados de potencia), siempre que la temperatura de la unión sea inferior a la temperatura de unión máxima permitida (normalmente 125 °C). Sin embargo, en el diseño de disipación de calor LED de alta potencia, el requisito de temperatura de unión TJ es mucho menor que 125 °C. La razón es que TJ tiene un mayor impacto en la tasa de extracción de luz y la vida útil del LED: cuanto mayor es la TJ, menor es la tasa de extracción de luz y más corta es la vida útil del LED.

La Figura 1 es la curva de relación entre la temperatura de unión TJ y la tasa relativa de extracción de luz del LED blanco de la serie K2. Cuando TJ = 25 ℃, la tasa de extracción de luz relativa es 1; cuando TJ = 70 ℃, la tasa de extracción de luz relativa cae a 0,9; cuando TJ = 115 ℃, cae a 0,8;

La Tabla 2 es la relación entre la temperatura de unión TJ de los LED blancos de alta potencia y la vida útil cuando el brillo se atenúa en un 70% dada por Edison Company (la vida útil de diferentes fabricantes de LED no es la misma, y son sólo para referencia).

Como se puede observar en la Tabla 2: cuando TJ=50℃, la vida útil es de 90.000 horas; cuando TJ=80℃, la vida útil cae a 34.000 horas cuando TJ=115℃, su vida útil es de solo; 13.300 horas.

TJ debe proponer el valor de temperatura de unión máximo permitido TJmax en el diseño de disipación de calor. El valor de temperatura de unión real TJ debe ser menor o igual al TJmax requerido, es decir, TJ≤TJmax.

Ruta de disipación de calor del LED de alta potencia.

El LED de alta potencia concede gran importancia a la disipación de calor en su diseño estructural. La Figura 2 es la estructura interna de la serie K2 de Lumiled y la Figura 3 es la estructura interna del NCCW022 de NICHIA. Como se puede ver en estas dos imágenes: hay una almohadilla metálica disipadora de calor más grande debajo de la matriz, que permite que el calor de la matriz se transfiera al exterior a través de la almohadilla disipadora de calor.

El LED de alta potencia está soldado en la placa impresa (PCB), como se muestra en la Figura 4. La superficie inferior de la almohadilla de disipación de calor está soldada a la superficie de cobre de la PCB y la capa de cobre más grande se utiliza como superficie de disipación de calor. Para mejorar la eficiencia de disipación de calor, se utiliza una PCB revestida de cobre de doble capa. Los gráficos frontal y posterior se muestran en la Figura 5. Esta es la estructura de disipación de calor más simple.

El calor se disipa de las zonas de alta temperatura a las zonas de baja temperatura. La principal ruta de disipación de calor del LED de alta potencia es: núcleo del tubo → almohadilla de enfriamiento → capa de cobre del tablero impreso → tablero impreso → aire ambiente. Si la temperatura de unión del LED es TJ, la temperatura del aire ambiente es TA y la temperatura en la parte inferior del disipador de calor es Tc (TJ>Tc>TA), la ruta de disipación de calor se muestra en la Figura 6.

En el proceso de conducción de calor, diversos materiales tienen diferentes propiedades de conductividad térmica, es decir, tienen diferentes resistencias térmicas. Si la resistencia térmica desde el núcleo del tubo hasta la superficie inferior del disipador de calor es RJC (la resistencia térmica del LED), la resistencia térmica desde el disipador de calor hasta la capa de cobre en la superficie de la PCB es RCB, y la resistencia térmica desde la PCB al aire ambiente es RBA, entonces la resistencia térmica del tubo. La relación entre la resistencia térmica total RJA de la temperatura de unión TJ del núcleo al aire TA y cada resistencia térmica es:

RJA =RJC+RCB+RBA

La unidad de cada resistencia térmica es ℃/W.

Se puede entender de esta manera: cuanto menor sea la resistencia térmica, mejor será la conductividad térmica, es decir, mejor será el rendimiento de disipación de calor.

Si la almohadilla de disipación de calor del LED y la capa de cobre de la PCB están soldadas por reflujo, entonces RCB=0, entonces la fórmula anterior se puede escribir como:

RJA=RJC+RBA

Fórmula de cálculo de la disipación de calor

Si la temperatura de la unión es TJ, la temperatura ambiente es TA y el consumo de energía del LED es PD, entonces la relación entre RJA, TJ, TA y PD es:

RJA=（TJ－TA）/PD (1)

La unidad de PD en la fórmula es W. La relación entre PD, caída de voltaje directo del LED VF y corriente directa del LED IF es:

PD=VF×IF (2)

Si se ha medido la temperatura TC de la almohadilla de enfriamiento del LED, entonces la ecuación (1) se puede escribir como:

RJA=(TJ-TC)/PD+(TC-TA)/PD

Entonces RJC=(TJ-TC)/ PD (3)

RBA=(TC-TC)/PD (4)

En el cálculo de disipación de calor, cuando se selecciona un LED de alta potencia, se puede encontrar en la datos de RJC después de determinar la corriente directa IF del LED, PD se puede calcular basándose en el VF del LED si se ha medido la temperatura de TC, TJ se puede calcular de acuerdo con la ecuación (3).

Antes de medir TC, primero haga una placa experimental (elija una PCB determinada, determine un área determinada), suelde el LED, introduzca la corriente IF y, una vez estable, utilice un punto de termopar tipo K. Termómetro para medirla. Temperatura de la almohadilla de enfriamiento LED TC.

En la ecuación (4), se pueden medir TC y TA, se puede calcular PD y se puede calcular el valor RBA.

Si se calcula TJ, RJA se puede obtener sustituyendo en la ecuación (1).

Este método de cálculo de TJ mediante experimentos se basa en utilizar una determinada PCB y una determinada área de disipación de calor. Si el TJ calculado es menor que el TJmax requerido (o igual a), la PCB y el área seleccionadas pueden considerarse apropiadas; si el TJ calculado es mayor que el TJmax requerido, la PCB debe reemplazarse por una PCB con mejor rendimiento de disipación de calor; , o se debe aumentar el área de disipación de calor de la PCB.

Además, si el valor RJC del LED seleccionado es demasiado grande, el diseño también se puede reemplazar con un LED de alta potencia con mejor rendimiento y un valor RJC más pequeño para satisfacer el TJ≤TJmax calculado. Esto se ilustra en el ejemplo de cálculo.

Varios PCB

Actualmente existen tres tipos de PCB que se utilizan para la disipación de calor con LED de alta potencia: placas ordinarias revestidas de cobre de doble cara (FR4), placas de cobre a base de aleación de aluminio. Placas revestidas (MCPCB), PCB de película flexible es una PCB pegada a una placa de aleación de aluminio.

La estructura de MCPCB se muestra en la Figura 7. Las dimensiones de espesor de cada capa se muestran en la Tabla 3.

El efecto de disipación de calor está relacionado con el espesor y tamaño de la capa de cobre y la capa metálica y la conductividad térmica del medio aislante. Generalmente se utiliza MCPCB con una capa de cobre de 35 μm y una aleación de aluminio de 1,5 mm.

La estructura del PCB flexible pegado a la placa de aleación de aluminio se muestra en la Figura 8. Las dimensiones de espesor de cada capa generalmente utilizadas se muestran en la Tabla 4. El LED estrella de 1~3W adopta esta estructura.

MCPCB que utiliza medios de alta conductividad térmica tiene el mejor rendimiento de disipación de calor, pero es más caro.

Ejemplo de cálculo

Aquí utilizamos algunos datos del ejemplo de medición de TC de NICHIA como ejemplo de cálculo. Las condiciones conocidas son las siguientes:

LED: LED blanco de 3W, modelo MCCW022, RJC=16℃/W. El cabezal de medición del termómetro puntual de termopar tipo K está soldado a la almohadilla del disipador de calor.

Placa de prueba de PCB: placa revestida de cobre de doble capa (40 × 40 mm), t = 1,6 mm, el área de la capa de cobre en la superficie de soldadura es de 1180 mm2 y el área de la capa de cobre en la parte posterior es de 1600 mm2.

Estado de funcionamiento del LED: IF=500mA, VF=3.97V.

Utilice un termómetro puntual de termopar tipo K para medir TC, TC=71 ℃. La temperatura ambiente TA = 25 ℃ durante la prueba.

Cálculo de TJ

TJ=RJC×PD+TC=RJC(IF×VF)+TC

TJ=16℃/W（500mA×3.97V）

+71℃=103℃

2.Cálculo de RBA

RJA=(TC－ TA） /PD

=（71℃－25℃）/1,99W

=23,1℃/W

3.Cálculo de RJA

RJA=RJC+RBA

=16 ℃/W+23,1 ℃/W

=39,1 ℃/W

Si el TJmax diseñado = 90 ℃ Entonces, el TJ calculado de acuerdo con las condiciones anteriores no puede cumplir con los requisitos de diseño. Es necesario reemplazar la PCB con una mejor disipación de calor o aumentar el área de disipación de calor, y probar y calcular nuevamente hasta que se cumpla TJ ≤ TJmax.

Otro método es que cuando el valor RJC del LED utilizado es demasiado grande, si lo reemplaza con un producto nuevo similar, RJC=9℃/W (VF=3.65V cuando IF=500mA), otras condiciones permanecen sin cambios, TJ se calcula como:

TJ=9 ℃/W (500 mA×3,65 V) +71 ℃

=87,4 ℃

En el cálculo de la fórmula anterior, 71 ℃ Hay algunos errores. Debe soldar un nuevo LED de 9 ℃/W y volver a medir el TC (el valor medido es ligeramente menor que 71 ℃). Esto tiene poco impacto en los cálculos. Después de usar LED de 9 ℃/W, no hay necesidad de cambiar el material ni el área de la PCB, y su TJ cumple con los requisitos de diseño.

Agregue un disipador de calor en la parte posterior de la PCB

Si el TJ calculado es mucho mayor que el TJmax requerido por el diseño y la estructura no permite un aumento en el área , puede considerar pegar la parte posterior de la PCB en el perfil de aluminio con forma de "∪" (o placa de aluminio estampada), o pegarla al disipador de calor, como se muestra en la Figura 10. Estos dos métodos se utilizan habitualmente en el diseño de lámparas con múltiples LED de alta potencia. Por ejemplo, en el ejemplo de cálculo anterior, si se pega un disipador de calor de 10 ℃/W en la parte posterior de la PCB con TJ = 103 ℃, su TJ caerá a aproximadamente 80 ℃.

Cabe señalar aquí que el TC anterior se mide a temperatura ambiente (la temperatura ambiente generalmente es de 15 a 30 ℃). Si la temperatura ambiente TA de la lámpara LED es mayor que la temperatura ambiente, el TJ real será mayor que el TJ calculado después de medir a temperatura ambiente, por lo que este factor debe considerarse durante el diseño. Si la prueba se realiza en un termostato, lo mejor es ajustar la temperatura a la temperatura ambiente más alta durante el uso.

Además, ya sea que la PCB se instale horizontal o verticalmente, las condiciones de disipación de calor son diferentes, lo que tiene un cierto impacto en la medición de TC, el material de la carcasa y el tamaño de la lámpara y la presencia o ausencia de ella. Los orificios de disipación de calor también tienen un impacto en la disipación de calor. Por tanto, deja algo de margen de maniobra a la hora de diseñar.