近年來，大功率LED發(fā)展較快，在結構和性能上都有較大的改進，產量上升、價格下降；還開發(fā)出單顆功率為100W的超大功率白光LED。與前幾年相比較，在發(fā)光效率上有長足的進步。結合成本工藝優(yōu)勢，鋁合金散熱器成了LED散熱設計首選材料
例如，Edison公司前幾年的20W白光LED，其光通量為700lm，發(fā)光效率為35lm/W。2007年開發(fā)的 100W白光LED，其光通量為6000lm，發(fā)光效率為60lm/W。又例如，Lumiled公司最近開發(fā)的K2白光LED，與其Ⅰ、Ⅲ系列同類產品比較如表1所示。從表中可以看出：K2白光LED在光通量、最大結溫、熱阻及外廓尺寸上都有較大的改進。
Cree公司新推出的XLamp XR～E冷白光LED，其最高亮度擋QS在350mA時光通量可達107～114lm。這些性能良好的大功率LED給開發(fā)LED白光照明燈具創(chuàng)造了條件。
例如，Edison公司前幾年的20W白光LED，其光通量為700lm，發(fā)光效率為35lm/W。2007年開發(fā)的 100W白光LED，其光通量為6000lm，發(fā)光效率為60lm/W。又例如，Lumiled公司最近開發(fā)的K2白光LED，與其Ⅰ、Ⅲ系列同類產品比較如表1所示。從表中可以看出：K2白光LED在光通量、最大結溫、熱阻及外廓尺寸上都有較大的改進。
Cree公司新推出的XLamp XR～E冷白光LED，其最高亮度擋QS在350mA時光通量可達107～114lm。這些性能良好的大功率LED給開發(fā)LED白光照明燈具創(chuàng)造了條件。
前幾年，各種白光LED照明燈具主要是采用小功率Φ5白光LED來做的。如1～5W的燈泡、15～20W的管燈及40～60W的路燈、投射燈等。這些燈具使用了幾十到幾百個Φ5白光LED，生產工藝復雜、可靠性差、故障率高、外殼尺寸大，并且亮度不足。
為改進上述缺點，這幾年逐步采用大功率白光LED來替代Φ5白光LED來設計新型燈具。例如，用18個2W的白光LED做成的街燈，若采用Φ5白光LED則要幾百個。另外，用一個1.25W的 K2系列白光LED，可做成光通量為65lm的強光手電筒，照射距離可達幾十米。若采用Φ5白光LED來做則是不可能的。
圖1 結溫TJ與相對出光率關系圖
用大功率LED做的燈具其價格比白熾燈、日光燈、節(jié)能燈要高得多，但它的節(jié)能效果及壽命比其他燈具也高的多。如果在路燈系統及候機大廳、大型百貨商場或超市、高級賓館大堂等用電大戶的公共場所全部采用LED燈具，其一次性投資較高，但長期的節(jié)電效果及經濟性都是值得期待的。
目前主要采用1～3W大功率白光LED作照明燈，因為其發(fā)光效率高、價格低、應用靈活。
另外，一般功率器件（如電源IC）的散熱計算中，只要結溫小于最大允許結溫溫度（一般是125℃）就可以了。但在大功率LED散熱設計中，其結溫TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ對LED的出光率及壽命有較大影響：TJ越高會使LED的出光率越低，壽命越短。
圖1是K2系列白光LED的結溫TJ與相對出光率的關系曲線。在TJ=25℃時，相對出光率為1；TJ=70℃時相對出光率降為0.9；TJ=115℃時，則降到0.8了。
表2是Edison公司給出的大功率白光LED的結溫TJ在亮度衰減70%時與壽命的關系（不同LED生產廠家的壽命并不相同，僅做參考）。
在表2中可看出：TJ=50℃時，壽命為90000小時；TJ=80℃時，壽命降到34000小時；TJ=115℃時，其壽命只有13300小時了。TJ在散熱設計中要提出最大允許結溫
用大功率LED做的燈具其價格比白熾燈、日光燈、節(jié)能燈要高得多，但它的節(jié)能效果及壽命比其他燈具也高的多。如果在路燈系統及候機大廳、大型百貨商場或超市、高級賓館大堂等用電大戶的公共場所全部采用LED燈具，其一次性投資較高，但長期的節(jié)電效果及經濟性都是值得期待的。
目前主要采用1～3W大功率白光LED作照明燈，因為其發(fā)光效率高、價格低、應用靈活。
大功率LED的散熱問題
LED是個光電器件，其工作過程中只有15%～25%的電能轉換成光能，其余的電能幾乎都轉換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱是個大問題。例如，1個10W白光LED若其光電轉換效率為20%，則有8W的電能轉換成熱能，若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會急速上升，當其結溫（TJ）上升超過最大允許溫度時（一般是150℃），大功率LED會因過熱而損壞。因此在大功率LED燈具設計中，最主要的設計工作就是散熱設計。
LED是個光電器件，其工作過程中只有15%～25%的電能轉換成光能，其余的電能幾乎都轉換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱是個大問題。例如，1個10W白光LED若其光電轉換效率為20%，則有8W的電能轉換成熱能，若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會急速上升，當其結溫（TJ）上升超過最大允許溫度時（一般是150℃），大功率LED會因過熱而損壞。因此在大功率LED燈具設計中，最主要的設計工作就是散熱設計。
另外，一般功率器件（如電源IC）的散熱計算中，只要結溫小于最大允許結溫溫度（一般是125℃）就可以了。但在大功率LED散熱設計中，其結溫TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ對LED的出光率及壽命有較大影響：TJ越高會使LED的出光率越低，壽命越短。
圖2 K2系列的內部結構
圖1是K2系列白光LED的結溫TJ與相對出光率的關系曲線。在TJ=25℃時，相對出光率為1；TJ=70℃時相對出光率降為0.9；TJ=115℃時，則降到0.8了。
表2是Edison公司給出的大功率白光LED的結溫TJ在亮度衰減70%時與壽命的關系（不同LED生產廠家的壽命并不相同，僅做參考）。
圖3 NCCWO22的內部結構
在表2中可看出：TJ=50℃時，壽命為90000小時；TJ=80℃時，壽命降到34000小時；TJ=115℃時，其壽命只有13300小時了。TJ在散熱設計中要提出最大允許結溫
圖4 LED與PCB焊接圖
大功率LED的散熱路徑.
大功率LED在結構設計上是十分重視散熱的。圖2是Lumiled公司K2系列的內部結構、圖3是NICHIA公司NCCW022的內部結構。從這兩圖可以看出：在管芯下面有一個尺寸較大的金屬散熱墊，它能使管芯的熱量通過散熱墊傳到外面去。
圖5 雙層敷銅層散熱結構
大功率LED是焊在印制板（PCB）上的，如圖4所示。散熱墊的底面與PCB的敷銅面焊在一起，以較大的敷銅層作散熱面。為提高散熱效率，采用雙層敷銅層的PCB，其正反面圖形如圖5所示。這是一種最簡單的散熱結構。
圖6 散熱路徑圖
熱是從溫度高處向溫度低處散熱。大功率LED主要的散熱路徑是：管芯→散熱墊→印制板敷銅層→印制板→環(huán)境空氣。若LED的結溫為TJ，環(huán)境空氣的溫度為TA,散熱墊底部的溫度為Tc（TJ＞Tc＞TA），散熱路徑如圖6所示。
在熱的傳導過程中，各種材料的導熱性能不同，即有不同的熱阻。若管芯傳導到散熱墊底面的熱阻為RJC（LED的熱阻）、散熱墊傳導到PCB面層敷銅層的熱阻為RCB、PCB傳導到環(huán)境空氣的熱阻為RBA,則從管芯的結溫TJ傳導到空氣TA的總熱阻RJA與各熱阻關系為：
RJA=RJC+RCB+RBA
各熱阻的單位是℃/W。
可以這樣理解：熱阻越小，其導熱性能越好，即散熱性能越好。
如果LED的散熱墊與PCB的敷銅層采用回流焊焊在一起，則RCB=0，則上式可寫成：
RJA=RJC+RBA
散熱的計算公式
若結溫為TJ、環(huán)境溫度為TA、LED的功耗為PD,則RJA與TJ、TA及PD的關系為：
RJA=（TJ－TA）/PD (1)
式中PD的單位是W。PD與LED的正向壓降VF及LED的正向電流IF的關系為：
PD=VF×IF (2)
如果已測出LED散熱墊的溫度TC，則(1)式可寫成：
RJA=(TJ－TC)/PD+(TC－TA)/PD
則RJC=(TJ－TC)/PD (3)
RBA=(TC－TC)/PD (4)
在散熱計算中，當選擇了大功率LED后，從數據資料中可找到其RJC值；當確定LED的正向電流IF后，根據LED的VF可計算出PD；若已測出TC的溫度，則按（3）式可求出TJ來。
在測TC前，先要做一個實驗板（選擇某種PCB、確定一定的面積）、焊上LED、輸入IF電流，等穩(wěn)定后，用K型熱電偶點溫度計測LED的散熱墊溫度TC。
在（4）式中，TC及TA可以測出，PD可以求出，則RBA值可以計算出來。
若計算出TJ來，代入（1）式可求出RJA。
這種通過試驗、計算出TJ方法是基于用某種PCB及一定散熱面積。如果計算出來的TJ小于要求（或等于）TJmax，則可認為選擇的PCB及面積合適；若計算來的TJ大于要求的TJmax，則要更換散熱性能更好的PCB，或者增加PCB的散熱面積。
另外，若選擇的LED的RJC值太大，在設計上也可以更換性能上更好并且RJC值更小的大功率LED，使?jié)M足計算出來的TJ≤TJmax。這一點在計算舉例中說明。
各種不同的PCB
目前應用與大功率LED作散熱的PCB有三種：普通雙面敷銅板（FR4）、鋁合金基敷銅板（MCPCB）、柔性薄膜PCB用膠粘在鋁合金板上的PCB。
MCPCB的結構如圖7所示。各層的厚度尺寸如表3所示。
圖7 MCPCB結構圖
其散熱效果與銅層及金屬層厚如度尺寸及絕緣介質的導熱性有關。一般采用35μm銅層及1.5mm鋁合金的MCPCB。
柔性PCB粘在鋁合金板上的結構如圖8所示。一般采用的各層厚度尺寸如表4所示。1～3W星狀LED采用此結構。
采用高導熱性介質的MCPCB有最好的散熱性能，但價格較貴。
圖8 散熱層結構圖
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(tài)：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(huán)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?。?。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(huán)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(huán)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(tài)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(fā)光顏色的大功率LED燈具，如警示燈、裝飾燈等。