LED光源模块的散热分析

2011-02-28李德峰

黑龙江交通科技 2011年6期

李德峰

(石家庄市环城公路建设指挥部办公室)

1 引言

半导体照明是继白炽灯发明以来，照明领域最重要革命。半导体照明与传统照明光源最大的不同在于它的光线不是由热而发光，而是通过自由电子和空穴复合产生能级跃迁发光，半导体光源是真正意义上的绿色光源，具有寿命长、能耗底、发光效率高、稳定性好、无频闪、无红外和紫外辐射等优点。但是，半导体光源在将电能转化为光能的同时也产生大量的热量，与传统热致发光光源完全相反的是这些热对于半导体发光材料来讲毫无益处，它会导致发光效率降低、光衰，严重时还会导致寿命下降甚至发光器件失效。因此，半导体光源的散热问题是提高光源发光效率和可靠性的关键，也是半导体照明推广发展的最大障碍之一。

LED光源的热通路一般由热阻和热容组成，根据热路和电路相似的原理，可以对LED芯片的结温其进行瞬态和稳态分析，本文针对集成封装的LED平面光源模块，用自动控制理论中传递函数的分析方法，对LED光源模块加电后芯片结温温升变化规律进行了推导，提出了LED光源在实际应用中的散热设计和分析方法。

2 LED光源模块的散热结构

LED光源模块由多个LED芯片固在铝基板上，通过串并联组合成各种形状和功率，以适应不同用途的功能模块。芯片的散热通路为芯片—绝缘膜—铝基板—散热片—环境(图1)，为方便说明，这里忽略固晶胶膜、铜膜、铝基板和散热片连接处的影响。根据热路与电路相似原理，每个散热单元可以用以下电路形式模拟:其中P代表热源，R代表耗散热阻，C代表散热单元的热容。

图1 光源模块散热结构

对于图1所示的LED模块，散热单元由芯片、绝缘膜、铝基板、散热片等组成，散热单元之间由传导热阻连接，由于散热片不可能是等温度的，散热片的整体热路应由多个如图2所示的散热单元组成。

为分析方便，对于整个模块的散热热路可以等效简化为图3。

上图中，P为热源，C1为模块内部等效热容，R1为传导热阻，C2为外部散热等效热容，R2为整体等效热阻。

图2 散热单元的热路图

图3 光源模块的等效热路

3 数学模型

在图3，A点的温度就是芯片的结温温升，B点温度为环境温度，我们把热源的功率作为输入量，把A点到B点的温度差作为输出量，可以将图三抽象成为一个控制系统。

图4

其中H(S)为传递函数，根据热路与电路相似的原理，H(S)可以认为是系统的整体热抗，不难推导:

可以看出上述传递函数H(S)的分母部分是关于S的二次多项式，对于开关加电过程，输入量的时域函数可以描述为阶跃输入，其拉普拉斯变换为:

其中A为电功率强度，那么输出量为

假设H(S)分母的二次多项式有两个实根S1、S2，那么T(S)就一定可以展开为

式中K0、K1、K2为待定系数，可以通过解方程的办法方便求得，S1、S2、K0、K1、K2的解析表达式为

4 LED芯片结温的时域分析

对于T(S)的展开表达式进行拉普拉斯反变换，可以得知LED芯片PN结的温升符合以下规律:

显然，上式中当S1、S2小于零时T(t)将收敛于K0，根据模块加电后，LED芯片结温温升随时间升高并逐渐趋向稳定的物理过程可以判断我们假设H(S)的分母为两个实数解是正确的，因为如果存在虚数解，则结温温升的时域表达式将存在正弦分量，即其物理过程有振荡现象，根据其收敛性还可以确定这两个实数解一定是负数。

由T(t)的表达式可以描绘LED芯片结温温升随加电时间的变化曲线为:

图5 LED芯片结温温升随加电时间变化规律

在光源加电使用时间远远大于热平衡过程的情况下，设计人员最关心的是LED芯片结温温升的收敛值即K0，从K0的表达式中可以看出，K0只与输入功率和芯片传导热阻、系统等效热阻有关。在光源封装结构、散热材料等因素固定下来后，组成的系统热阻不难用实验的方法测得，因而芯片结温温升的收敛值也就可以在设计阶段计算出来。同样，用K0的表达式也可以在确定电功率输入的情况下通过实测结温温升反推系统热阻，这对于LED灯具设计方案确定阶段具有有效的指导意义。

在实际应用的设计中，可以利用EXCEL工具，将预测的R1、R2、C1、C2作为已知量，用上述公式自动计算 S1、S2、K0、K1、K2值，将T(t)的表达式按时间列表，以插入折线图的形式将 T(t)描绘出来，适当调整 R1、R2、C1、C2，观察 T(t)曲线变化规律及曲线收敛值K0，从而可完成LED灯具的初步的散热设计;在产品设计初样阶段，可根据实测数据与理论设计的散热曲线进行比对，进一步修正热阻、热容参数，使理论设计与实测数据尽可能接近，这样可以确定产品散热系统的准确参数。系统散热参数的调整过程，同时也为产品设计提供了优化方向。