更可靠、高效的LED熱分析計算方法
2017-04-06

飛利浦流明(Philips LumiLEDs)的專家米希爾克魯格博士最近發表了一篇關于準確有效的LED熱量計算方法的文章,文中詳細說明了關于可增加白色LED熱分析的精確度及其簡化分析的過程。下文是米希爾克魯格博士發表文章的全文。

時至今日,白色LED的熱分析仍舊是一門未完成的科學。大多數LED燈具和照明器制造商只能依賴于不充分、不準確或模糊的數據來確定LED設備在相關應用領域的性能,這往往可能導致其散熱片設計過度工程化。

目前業內通常使用功率轉換效率(WPE)方法來計算LED轉換為光輻射所需的功率,以及LED實際所產生的熱量。WPE的缺陷在于,同一產品類別中各個LED設備之間得出的結果差異甚大,使得燈具和照明器制造商很難對LED產品進行比較。而且,WPE通常也與操作環境有很大關系。我們將介紹一種簡單明了、基于輻射發光效率(LER)的LED發熱量計算方法。最先進、熒光轉換型白色LED的LER一般都保持恒定,因此照明器設計商可利用此公式來快速估計LED設備所產生的熱量。

LED與散熱

在熱模擬實驗中,LED有時會被模擬成簡單的電阻式加熱器,所有將進入LED的電功率假定會轉換成熱量并反過來從照明器發散出去。但這一假設存在一個問題,那就是太過保守:高亮度熒光轉換型白色LED一般會將30%的傳入電功率轉換為光,而寶藍色LED的轉換功率可大大超過50%。因此,高亮度LED發熱所需的總功率通常低于進入LED的總電功率。

若這一降低的發熱容量被不適當地納入熱模擬中,預期的照明器內部溫度將過高,因而將需要采用更復雜、成本更高的散熱片設計。這對于那些需要從小型PCB板和散熱片發散特定熱量(5W-10W)的應用尤其重要,例如改造型的LED燈泡。要評估燈具或照明器的累計熱性能,設計商必須合理考慮傳入電功率將分別轉換為光和熱的比例有多少。

如今LED行業常用的WPE方法被定義為LED總輻射功率與傳入LED總電功率的比率。由于WPE取決于LED的標稱通量和電壓,且是實際驅動電流及連接溫度的強函數,因此在同一個產品類別的不同LED設備之間得出結果差異較大。因而對于特定的LED產品類別而言,很難針對不同的驅動器條件、通量和電壓BIN組合定義一個典型的WPE值。

輻射發光效率

對比之下,進行LED應用的熱評估時使用輻射發光效率(LER)比WPE更具信服力,前者可以量化光源的可見光發光效率。更具體地講,LER被定義為光源的總適應光通量(流明)除以其總輻射功率(瓦特)。LED的LER值可以直接從輻射光譜功率分布(通常印于設備的數據表上)獲取,且與WPE不同的是,LER值不因標稱通量和電壓或實際驅動電流和連接溫度而產生明顯變化。已知LER值的情況下,就可以通過以下公式計算出LED的總發熱量:

飛利浦Lumileds:更可靠、高效的LED熱分析計算方法


其中,菱形符號表示LER值,If表示驅動電流,Vf表示操作條件下的正向壓,Φv表示操作條件下的總發光通量。例如,對于一個典型LER值為300lm/Wrad的熒光轉換型白色LED,假設其驅動電流為1000mA,發光通量為300lm,正向壓為2.9V,那么根據上文公式就可以算出其總發熱量為1.9W。

當前熒光轉換型白色LED生產工藝所取得的進步使同一產品類別LED的精確色點控制成為可能,因此LER值更為一致。事實上,例如飛利浦流明(Philips Lumileds)等制造商推出的最新照明級LED(3階MacAdam橢圓)已可實現極佳的顏色控制。這允許制造商定義一個針對特定CCT、可代表同一產品類別所有LED的典型LER值。

飛利浦現在已經開始在“LED系統計算器”中使用LER值,這樣使得LED系統設計商可以通過這一工具找到用于其最終照明應用的關鍵性能指標,包括系統發熱量及發光量。這樣一來,飛利浦就可以幫助設計商更輕松地設計出滿足預期要求、散熱片相關成本更低的燈具和照明器。此外,利用LER值可以更容易對不同制造商的同一類別LED進行比較,提高了透明度并簡化了LED規范流程。

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