如何计算照明应用程序中的LED结温

操作高于制造商建议的最高温度的LED会降低设备的效率和光输出，并可能导致过早失效。 LED的热点定义为形成二极管的p型和n型半导体之间的结。本文使用示例照明应用程序来说明如何计算LED的结温并确定它是否可能超过指定的上限。

计算LED结温

LED通过重新组合LED结点处或附近的电荷载流子（电子和空穴）将电能转换为光（图1）。不幸的是，即使LED相对有效，所消耗的电能的大约65％至75％仍然产生热量而不是光，从而提高了芯片的温度。

图1：电荷载体在LED的连接处结合，产生一些光和大量的热量。但是，高亮度LED有多热？让我们看看如何使用简单的计算确定结温。

给定功率输入达到的最高结温（T j ）取决于三个因素：环境温度，LED结与其周围环境之间的热阻以及芯片消耗的功率。¹

为了便于计算，我们假设环境温度（T a ）为23摄氏度（°C）。 （请注意，全面的设计计算应考虑LED在正常工作中将遇到的最高环境温度的最坏情况。）较低的环境温度会降低结温并延长LED的使用寿命。这使得LED照明成为某些应用的理想选择，例如冷藏食品展示柜。

热阻（R th ）定义为每单位功耗（°C/W）的元件温度升高。它是导热系数的倒数。金属通常具有低热阻并且形成有效的散热器，而空气，塑料和木材是不良的热导体并且制造有效的绝缘体。

LED照明组件的简化模型可以是两个串联元件，总热阻是每个元件的总和。第一个元件是从封装（j）到支撑衬底上的焊点（sp）的LED封装（R th j-sp ）。第二个元素是焊点和发光组件外部之间的热阻的组合（即环境（a））（R th sp-a ）。图2显示了这种安排的示意图。

图2：简单LED照明组件的热阻模型。 （礼貌：Cree）

LED结与环境之间的热阻（R th ja ）是这些电阻的总和：

电源LED消耗（P d ）通过将LED的正向电压（V f ）乘以其正向电流（I f ）来确定。

我们现在可以编写任何给定LED的结温公式：

一个示例计算

LED结点有多热？让我们将一些典型的值放入我们的等式中并找出答案。

首先，假设驱动器电路远离LED，因此其热量输出不会影响芯片。 （这是LED制造商推荐的最佳做法。）第二，让我们使用Cree XM-L Easy White LED作为光源的基础。根据产品数据手册，正向电流为350 mA，典型正向电压为5.6 V.结点到焊点的热阻（R th j-sp ）在数据手册中给出为2.5°C/W.

第三，我们需要记住，照明灯具包括几个靠近的LED，以产生足够的光输出。通常，六到十个器件组合形成实际上是“大芯片”的器件，虽然具有多个结，但消耗的功率是单个器件的几倍。例如，我们将考虑一个带有六个LED的照明装置，总功耗为11.76 W.此外，由于构成照明装置的设备连接到一个焊点，它们的热阻作用于平行。因此，该示例中的LED组的总热阻为R th j-sp /6。然后总热阻变为：

R th sp-a 的值取决于许多因素，例如焊盘的平整度和表面光洁度其中LED连接到基板，基板本身以及组件外壳的特性。对于使用标准电子和工业材料的照明组件，并且无视任何热管理技术，R th sp-a 通常在15至25°C/W的范围内。对于我们的例子，让我们采用20°C/W的中间值。

使用这些值，结温的计算变为：

Cree指定XM-L Easy White LED的最高结温为150°C。因此，LED将在此配置中过热，应考虑其他配置。

降低结温

大功率LED制造商，如欧司朗，建议在焊点和环境温度之间使用散热片，以降低结温。图3显示了一个带有集成散热器的LED照明灯具。

图3：欧司朗的这款LED灯组件包括一个集成的散热器。 （礼貌：欧司朗）

通过重新排列上面的公式（1），我们可以计算焊点到环境热阻（R th sp-a ）的大小，使得结温是保持在制造商规定的最高温度。

使用散热片将组件的热阻降低约10.5°C/W，使照明组件的总热阻为10.8°C/W，使配置有六个LED可在安全范围内运行。即使是最基本的散热器也能够应对这种配置。更复杂的设备可以使LED保持更冷，延长其使用寿命并使设备在更高的环境温度下运行。