LED光源模塊的散熱分析

李德峰

(石家莊市環城公路建設指揮部辦公室)

1 引言

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

LED光源的熱通路一般由熱阻和熱容組成，根據熱路和電路相似的原理，可以對LED芯片的結溫其進行瞬態和穩態分析，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的分析方法，對LED光源模塊加電后芯片結溫溫升變化規律進行了推導，提出了LED光源在實際應用中的散熱設計和分析方法。

2 LED光源模塊的散熱結構

LED光源模塊由多個LED芯片固在鋁基板上，通過串并聯組合成各種形狀和功率，以適應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 光源模塊散熱結構

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為模塊內部等效熱容，R1為傳導熱阻，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 數學模型

在圖3，A點的溫度就是芯片的結溫溫升，B點溫度為環境溫度，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。

圖4

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

可以看出上述傳遞函數H(S)的分母部分是關于S的二次多項式，對于開關加電過程，輸入量的時域函數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，可以通過解方程的辦法方便求得，S1、S2、K0、K1、K2的解析表達式為

4 LED芯片結溫的時域分析

對于T(S)的展開表達式進行拉普拉斯反變換，可以得知LED芯片PN結的溫升符合以下規律:

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

由T(t)的表達式可以描繪LED芯片結溫溫升隨加電時間的變化曲線為:

圖5 LED芯片結溫溫升隨加電時間變化規律

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

在實際應用的設計中，可以利用EXCEL工具，將預測的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)的表達式按時間列表，以插入折線圖的形式將 T(t)描繪出來，適當調整 R1、R2、C1、C2，觀察 T(t)曲線變化規律及曲線收斂值K0，從而可完成LED燈具的初步的散熱設計;在產品設計初樣階段，可根據實測數據與理論設計的散熱曲線進行比對，進一步修正熱阻、熱容參數，使理論設計與實測數據盡可能接近，這樣可以確定產品散熱系統的準確參數。系統散熱參數的調整過程，同時也為產品設計提供了優化方向。

5 結論

用自動控制系統中傳遞函數的概念對LED光源的散熱進行分析，可以得出LED芯片結溫溫升隨時間變化一般規律，從而為LED燈具的散熱設計提供依據。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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