文档详情

LED散热设计与计算公式

feng****heng
实名认证
店铺
DOCX
26.45KB
约8页
文档ID:191134099
LED散热设计与计算公式_第1页
1/8

word 格式-可编辑-感谢下载支持LED 散热设计与计算公式概论:LED总的电光转换效率约为54%,而在实际应用中是不足其理论的1/4,剩余的电能将以热能的形式释放,热由此而生,LED灯具热量上升直接影响有:发光效率,主波长不稳定,色温偏低,正向电压降低,反电流增大,效应里增大,材料劣化等等,热运动方式主要以: 热传导,热对流,热辐射1. 热传导:温度不同的物体各部分之间或温度不同的各物体之间直接接触时,依靠分子、 原子即自由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递的现象2. 热对流:由系统内流体各部分之间发生相对位移,冷热流体相互掺混而产生的热量传递 现象称为热对流3. 热幅射:由热运动产生,热量以电磁波形式传递散热涂料时利用热辐射的方式进行散热的( 热传导和热对流需要借助介质进行散热,而热辐射则不用,如真空)对于高功率LED,短时间运行其最高允许结温为125°C,而长期使用结温不允许超过110°C,对于低功率LED,其最高允许结温为80C在散热设计中我们通常考虑几个方面:导热材料,传导介质,热能位置,吸热界面, 热流方向,环境温度等等一, LED 灯具热分析公式;T Ta + ( R X P ) + ( R X P )j M thb-a thj-sp led式中:T LED理论结点温度,单位:Cj Rthb灯具散热部件总热阻,单位:°C/W;thb-a P——LED总功率,单位:WR 三(T. - Ta-Rthj-sp i *)/Pthb-a j ledTa---使用环境温度,单位:CPld单颗LED功率,单位:W;led R h.单颗LED热阻.单位:°C/W;thj-sp 二,散热计算公式:RJA=RJC+RCB+RBA RJA= (TJ-TA) /PD PD=VFxIFRJA=(TJ-TC)/PD+(TC-TA)/PD RJC=(TJ-TC)/PDRBA=(TC-TA)/PD TJ=RJCxPD+TC=RJC (IFxVF) +TC式中:TJ是结温;TA是工作环境温度;TC是散热垫底部的温度;RJA是总热阻;RJC是LED热阻;RCB敷铜层热阻;RBA是环境空气热阻;三,热阻(表征阻止热量传递的能力的综合参量),单位°C/W,方程式中用“R ”或“e”表示。

导热热阻:R=L/(KA), L为平板厚度;A为平板垂直于热流方向的截面积;K为平板材料的 导热率对流换热热阻:R=1/ (hA), h为对流换热系数,A为换热面积;辐射热阻:1,对于两个物体表面的辐射:R=1/ (A1F1-2)或1/ (A2F2-1)2,对于物体与环境大气的辐射:R=1/(hrA)式中:A,A1, A2为物体互辐射的表面积;F1-2和F2-1为辐射角系数;hr为辐射换热系数;以上三种热阻或综合热阻也可以用以下的公式定义:R12= (T1-T2) /Q (T1>T2)式中:T1, T2为某两点位置的温度;Q为通过的1,2点的传导热速率,则R12为1,2点件的热阻虽然热阻单位不同但其值是等效的,例:1°C/W=1K/W四,接触热阻,单位E*K/W,在公式中用Rc表示对于单位面积的交界面接触热阻定义为:Rc=(T2A-T2B)/Q其中,T2A,T2B为两交接面的表面温度, Q 为通过交接面的传热速率减少触热阻的措施:1. 增加借组部分面积,增加结合压力,减小结合面粗糙度,提高结合面的平面度,2. 选择导热率达界面流体,自然状态下界面空隙的流体多为空气,而空气的导热系数极低(0・023W/m*k)而在界面涂上有较高的导热能力的物体五,散热器的设计及选择;① 定义热边界条件(系统总的热耗散功率Q,最大工作的温度TA元器最大允许工作温度TJ)② ;估算系统热阻Rja= (Tj-Ta) /Q③ ;估算散热热阻Rba=(Tj-Ta)/Q-Rjb④ ;设计/选择散热器(根据估算的Rba为初始目标进行散热器的设计或从散热设备制造商 提供的规格数据选择合适的散热器)六,影响散热器性能的主要因素:1,散热器的材料材料热传导率K(W/m.K)比热容J/kgK-1C-1密度(g/cm3)热膨胀系数1/C银 silver4290.2410.50.0000196铜 cooper4010.398.690.0000166金 gold3171.2919.320.0000144铝 aluminum2370.92.7氧化铝0.0000042AL6061铝合金1552.70.0000236AL6063铝合金2010.92.70.0000234ADC12960.92.7AL1070铝合金2260.92.7AL1050铝合金2090.92.70.0000236diamond 钻石23003.52铁807.3~7.70.00001176锡677.310.0000023铅34.811.3钢材58.27.8铝合金2032.7PVC0.191.34PA0.231.14松木0.170.45单层玻璃2.52.4陶瓷千如)6.792.7石墨水平:700垂直:30720水0.5564.181空气(25 °C)0.024Cp =1.0032(J/g.Cv =0.7106, r=1.412c)1.293*0.00118硅脂3.62.4PC0.21.05ABS0.251.05PMMA0.181.18钢50.2(45 号钢4607.85瓷砖1.99水泥浆0.9不锈钢177.92,通过散热器的流体(气体)流畅的情况word 格式-可编辑-感谢下载支持 散热环境的气流形态一般分为自然对流,低速混合流动,告诉强迫对流,不同的气流 条件,在同一散热要求则需要不同的散热体积(包络体积)3,鳞片条件虽然众多的参数(如鳞片形状,肋化效率等)可用来对散热片进行优化设计,但鳞片密 度是用的最多的一个评估参数,对于平板型鳞片散热器,其鳞片间间距与如下两个参数精 密联系,气流速度及鳞片在气流方向的长度。

鳞片条件同时影响着散热器的热阻和流阻,例如当散热体积一定时,增大有效散热面, 将减小热阻,有利于散热,但同时也难免增大流阻,影响散热,因此设计时应权衡考量 4,与流体方向相关尺寸5, 海拔高度和相对湿度七,散热器的制程:目前用来制造散热器的工艺主要有以下几种;疾、挤型(Extrusion)铸造(Casting)折叠(Folding)锻造(Forging)机械加工(Machining)等等1•铝挤压技术(Ex truded)铝挤压技术简单的说就是将铝锭高温加热至约520 540C,在高压下让铝液流经具 有沟槽的挤型模具,作出散热片初胚,然再对散热片初胚进行裁剪、剖沟等处理后就做成了 我们常见到的散热片铝挤压技术较易实现,且设备成本相对较低,也使其在前些年的低端 市场得到广泛的应用一般常用的铝挤型材料为AA6063,其具有良好热传导率约160~180W/m.K)与加工性不过由于受到本身材质的限制散热鳍片的厚度和长度之比不能超过1: 18, 所以在有限的空间内很难提高散热面积,故铝挤散热片散热效果比较差;注:铝挤在做PAR灯和其它灯时往往要在加工;工艺一般是:铝挤一一裁切一一车销一一清洗一一阳极(或它表面处理)缺点后加工较麻烦,特别是车销,因灯是圆的,所以在加工质量较难控制;优点:模具简单;一个铝挤模可以经后加工出多款产品;铝压铸技术通过将铝锭(纯度92%左右)和合金材料熔解成液态后,填充入金属模型内,利用压铸机直接压铸 成型,制成散热片,采用压注法可以将鳍片做成多种立体形状,散热片可依需求作成复杂形状,亦可配 合风扇及气流方向作出具有导流效果的散热片,形状可设计成像玩具那样,造型各异,方便各种方向连 接,另外,它硬度强度较高,同时可以与锌混合成锌铝合金。

且能做出薄且密的鳍片来增加散热面积, 因工艺简单而被广泛采用一般常用的压铸型铝合金为ADC12,由于压铸成型性良好,适用于做薄铸件, 但因热传导率较差约96 W/m.K),现在国内多以AA1070铝料来做为压铸材料,其热传导率高达200word格式-可编辑-感谢下载支持W/m.K左右,具有良好的散热效果不过,以AA1070铝合金压铸散热器存在着一些其自身无法克服的 先天不足:① 压铸时表面流纹及氧化渣过多,会降低热传效果② 冷却时内部微缩孔偏高,实质热传导率降低(K<200 W/m.K)③ 模具易受侵蚀,致寿命较短④ 成型性差,不适合薄铸件⑤ 材质较软,容易变型2. 压铸铝成型工艺分:工艺一般是:压铸成型 粗抛光去合模余料一一细抛光或喷砂一一喷漆或电泳;另一方面,压铸铝生产过程,应有模具才能制造,其模具造价十分昂贵,比注塑模等其它模具均 高同时,模具维修十分困难,设计出错误时难以减料修复压铸铝缺点:每次生产加工数量应多,成本才低抛光较复杂生产周期慢产品成本较注塑件高3~4倍左右螺 丝孔要求应大一点(直径4.5mm )连接力才稳定3. 接合型制程这类散热器是先用铝或铜板做成鳍片,之后将它压固结合在具有沟槽的散热底座上。

结合型散热器的特点是鳍片突破原有的比例限制,散热效果好,而且还可以选用不同的材质 做鳍片此制程之优点为散热器Pin-Fi比可高达60以上,散热效果佳,且鳍片可选用不同 材质制作其缺点在于利用压固结合的鳍片与底座之间会存在界面阻抗问题,从而影响散热, 为了改善这些缺点,散热器领域又运用了 2种新技术4. 扦焊扦焊是采用熔点比母材熔点低的金属材料作为焊料,在低于母材熔点而高于焊料熔点 的温度下,利用液态焊料润湿母材,填充接头间隙,然后冷凝形成牢固接合界面的焊接方法主要工序有:材料前处理、组装、加热焊接、冷却、后处理等工序常用的扦焊方式是锡扦焊,铝表面在空气中会形成一层非常稳定的氧化层(AL2O3),使铜 铝焊接难度较高,这是阻碍焊接的最大因素必须要将其去除或采用化学方法将其去除后并 电镀一层镍或其它容易焊接的金属,这样铜铝(铝与铝)才能顺利焊接在一起散热片是进 行热的传导,要求的不仅是机械强度,更重要的是焊接的面积要大焊着率要高),才能有效 地提升散热效能,否则不但不会提升散热效能,反而会使其比全铝合金的散热片更加糟糕常见的后处理方法:① 烤漆:喷漆后进烘房加温干燥工艺;② 电泳:2电泳涂料在阴阳两极,施加于电压作用下,带电荷的涂料离子移动到阴 极,并与阴极表面所产生的碱性物质作用形成不溶解物,沉积于工件表面的過 程;③ 电镀:电镀就是利用电解的方式使金属或合金沉积在工件表面,以形成均匀、 致密、结合力良好的金属层的过程④ 喷塑:将塑料粉末喷涂在零件上的一种表面处理方法⑤ 阳极:将金属或合金的制件作为阳极,采用电解的方法使其表面形成氧化物薄 膜.备注:后处理一般要依灯具类别选用不同后处理方法;如室外灯对表处理要求较高,(如 盐务测试)一般会选用喷塑;不同表面处理对散热性能的影响也不相同; 电泳是电泳涂料在阴阳两极,施加于电压作用下,带电荷的涂料离子移动到阴极,并与阴极表面所产生的碱性物质作用形成不溶解物,沉积于工件表面 软件数值分析; 适合散热器综合考虑;(数值分析),尽管借组计算机以高效快速的完成散热设计,但数值计 算的原理决定了其计算结果的近似性,而且每个人的知识结构及对理论理解深度等都直接影 响到分析结果的准确性。

因此理论计算和实验验证结合是散热设计的可靠保证现有的对 LED 结温测试常用的方法:微型电偶法,电压参数法,光谱法,功率法LED 散热器结构设计小结结合上述分析: 我们可知道一个散热片的散热效果主要取决于散热片与发热物体接触部分的吸热 底和散热片的设计性能优秀的散热器,其性能应满足三个要求:吸热快、热阻小、去热快① 吸热快:即吸热底与 LED 模块间热阻小,可以迅速的吸收其产生的热量为了达到这种效果,就要求吸热底与LED模块结合尽量紧密,令金属材料与LED模块直接接触,最好 能够不留任何空隙散热器的整体热阻就是由与 LED 模块的接触面开始逐层累计而来,吸热底内部的热传导阻抗是其 中不可忽视的一部分为了将吸收的热量有效地传导到尽量多的鳍片上,因此还需要吸热底有较好的横 向热传导能力,我们在设计灯具时首先满足吸热底有足够的厚度,同时考虑LED模块的安装孔位进行加 筋,也加强了灯具的整体性和机械强度② 热阻小:为了提升吸热能力,希望散热片与LED模块紧密结合,不留任何空隙,一般加工方法加工出的表面是无法实现的吸热底与 LED 模块之间必然存在一定的空隙,如 果空隙中是高热阻的空气,就无法得到良好的导热效果,因此,应采用具有较低热阻及较佳适应性的材 料填充其中的空隙,这便是导热膏的用武之地。

但导热膏的热阻始终要高于加工散热片的金属材料,使 用它只是权宜之计,并非真正的解决之道,要想根本上提高散热片吸热底的吸热能力,就必须提高其底 面平整度平整度是通过表面最大落差高度来衡量的,通常散热片的底部稍经处理即可达到0.1mm以下,word 格式-可编辑-感谢下载支持采用铣床或多道拉丝处理可以达到0.03mm,散热片的吸热底越平整热阻越小,越有利于热量吸收,但由 于无法做到完美,涂抹导热膏成为了 LED 模块安装到散热器的必须步骤,从而达到吸热的最佳效果③ 去热快,建议LED模块的吸热底和散热鳍片压铸成一体(或焊接杨一个整体),即能够将从 LED 组吸收的热量迅速的传导到鳍片部分,整个灯体和散热鳍片是裸露于空中,注 意鳍片散发热气与气流方向要保持一致;才不会因气流而形成涡流而造成热气的滞留,进而由流动的气 流顺利带走而散发,以最快是速度将热量散发。

下载提示
相关文档
正为您匹配相似的精品文档