如何进行LED热量管理？从静态冷却、瞬态冷却两方面解析

为了确保可靠的固态照明产品开发，GILES HUMPSTON在本文中解释了冷却LED并为热路径仿真建模的复杂性。

LED是复杂的设备。LED不仅存在与半导体设计和操作相关的常见问题，而且LED主要用于发光。因此，光学涂层、光束管理装置如反射器和透镜、波长转换荧光体等存在进一步的系统复杂性。尽管如此，热量管理对于可靠的固态照明(SSL)产品而言至关重要。此外，您需要了解如何在静态和瞬态背景下冷却LED。

对于LED，需要遵守两个热管理参数。一个是所需的工作温度，另一个是最高工作温度。通常，所需的工作温度需要尽可能低。实现这一点可以确保高电光效率、良好的光谱质量和长的器件寿命。在高温下操作不仅会降低LED产生的光，而且质量和数量方面也会降低，最终会触发许多故障机制。

LED制造商对这些缺陷很精通，能够设计出高达130°C结温的产品。由于LED封装的热阻，印刷电路板(PCB)的温度约小10°C。假如高于额定结温，每上升10°C，LED寿命约减一半。

将电子转换为声子，LED效率相对较低。高亮度白光LED可以达到40%的效率，而UVC LED可能只有5%的效率。在这两种情况下，必须通过传导去除剩余的热量以防止过热。这是LED光源或照明设计师的责任。

静态冷却LED

将LED保持冷却的常规方法是将LED器件安装在散热器上。来自LED的热量通过传导进入散热器，然后散发到空气中。假如热量被水或其他流体除去，散热器有时被称为冷板，因为相关联的散热系统经常要设计工作流体处于低于室内环境的固定温度。

从LED到散热片能否有效运输热量取决于高导热性的材料。 例如，从图1的图表中可以看出，铜优于铝和黄铜，又优于不锈钢。

图1. 材料具有不同程度的导热性。

虽然铜在这些金属中是最佳的热导体，但是导热系数与材料的厚度无关。通过材料传导传递热量的能力主要跟热阻有关，厚度越厚，热阻越大。

电介质和气流

例如，中高功率LED阵列通常建立在导热PCB上。在顶面，有铜板与LED进行电连接，而在下面有一块铝来传导热量。在铜和铝之间有一电介质层，以防止铜板对铝的电短路。各制造商在选择介电材料方面采取了不同的方法，从有机材料到无机化合物，涵盖了整个光谱。如图2所示，热电阻最小的电介质材料几乎是一个数量级的，可以应用最薄的电介质材料，同时仍能提供所需的绝缘隔离。

图2. 电介质材料的厚度会影响耐热性。

但是，图2并没有说明全部。假设该装置是用空气冷却的，在LED和散热片之间的热路径中将有许多界面。一些由焊料桥接，一些由粘合剂桥接，其他将被压在一起(例如使用螺丝)。这些接合处对热传导带来了额外的障碍，其大小可能很大、难以预测、并随时间而变化。

系统中所有热阻和界面电阻的串联/并行加法称为热阻抗，设计导通路径以保持LED冷却。计算类似于电阻网络。在图3中，电压本质上就是温度，电流是热通量，所得电阻是热阻。

图3. 在开发工作中，您可以依赖于热传导路径的等效电阻。为了得到一个完整的热阻抗系统模型，必须在材料之间的每个过渡处添加热界面电阻。

瞬态冷却LED

先前的讨论是假设在稳定状态，即LED永久地通电并且散热器将热能连续地耗散到周围空气中。这种热模型在两种情况下会出现故障。一种是在接通LED时，更通常地是在脉冲操作中。令人惊讶的是，可以设计一条热路径，在连续工作时保持LED冷却，但是在接通时会过热。当这样操作时，相关联的热偏移可能让LED突然出现故障，类似于钨丝灯丝开启时突然断裂一样。因此，LED的热解决方案设计需要考虑瞬态操作，并且包括时间和空间变量。

时间依赖

瞬态冷却的时间分量是由于热路径中材料的比热容量而产生的。这可以作为电容器添加到热电阻的电气模型中(图4)。热容量是指材料受热(或冷却)时吸收(或放出)热量的性质。热容量的大小用比热容(简称比热)表示。

图4. 热传导的时间依赖是由于系统中材料的热容量而导致的，电等效模型是RC低通滤波器。

电气模型类比意味着热阻抗有时用于描述材料的时间相关的热性质。请注意，这时要注意区分，因为热阻抗也可以用来描述整个系统的静态热阻。

空间依赖

瞬态冷却的空间分量源于热量往哪个方向扩散多一些。比如，一个安装在大的薄金属板上的LED。最初，整个板处于环境温度。LED作为点热源。在接通时，LED会产生热量，通过传导将热量传递到板中。热量快速通过金属板，提高了LED下方区域的温度。因此，最先的时候，金属板的一小部分是来冷却LED的。金属板的导电性意味着LED的一些热量会在板内横向扩展，最终出现在表面上(图5所示)。因此，参与冷却LED的金属板的体积会随时间而增加，导致热阻和热容量出现明显改变。

图5. 一个热体在薄金属板上，这种简单的有限元热模型通过参与冷却的板材体积的变化表现空间依赖性。这些模型的计算按照从左上到右下时间增加来进行的。

当路径中存在高热阻的界面或层时，空间依赖特别重要。通过采取措施就将热量散布在该屏障之前最大的可能区域，这样在稳态和脉冲操作中，LED可以达到更好的冷却。

对流和辐射

高于环境温度的任何材料都会通过对流和辐射而失去热量。虽然这些是钨丝灯冷却的主要机制，但它们在LED的热管理中起着很小的作用。但是，应该将对流和辐射包括在任何模式中，目的是确保最接近现实情况。

总之，LED必须被冷却，以达到最佳的效率并确保其光输出的稳定和寿命。可以使用基于电气部件的模型来构造简单的热传导稳态模型。但是，为了正确理解热路径，特别是在瞬态条件下的反应，最好使用可以适应时间、空间和温度变化的工具。

热传导的时间和空间依赖性解释了为什么在材料选择方面存在层次结构。高比热容或热导率会随着材料在热路径中的位置和LED预期的操作模式而改变。