大功率LED散热处理（附算式），LED驱动电源的实现和设计

　　大功率LED如何高效率进行散热处理？

　　计算举例

　　这里采用了NICHIA公司的测量TC的实例中取部分数据作为计算举例。已知条件如下：

　　LED：3W白光LED、型号MCCW022、RJC=16℃/W。K型热电偶点温度计测量头焊在散热垫上。

　　PCB试验板：双层敷铜板（40×40mm）、t=1.6mm、焊接面铜层面积1180mm2背面铜层面积1600mm2。

　　LED工作状态：IF=500mA、VF = 3.97V。

　　按图9用K型热电偶点温度计测TC，TC=71℃。测试时环境温度TA = 25℃。

　　1.TJ计算

　　TJ=RJC×PD+TC=RJC（IF×VF）+TC

　　TJ=16℃/W（500mA×3.97V）

　　+71℃=103℃

　　图9 TC测量位置图

　　2.RBA计算

　　RJA=（TC－TA）/PD

　　=（71℃－25℃）/1.99W

　　=23.1℃/W

　　3.RJA计算

　　RJA=RJC+RBA

　　=16℃/W+23.1℃/W

　　=39.1℃/W

　　如果设计的TJmax=90℃，则按上述条件计算出来的TJ不能满足设计要求，需要改换散热更好的PCB或增大散热面积，并再一次试验及计算，直到满足TJ≤TJmax为止。

　　另外一种方法是，在采用的LED的RJC值太大时，若更换新型同类产品RJC=9℃/W（IF=500mA时VF=3.65V），其他条件不变，TJ计算为：

　　TJ=9℃/W（500mA×3.65V）+71℃

　　=87.4℃

　　上式计算中71℃有一些误差，应焊上新的9℃/W的LED重新测TC（测出的值比71℃略小）。这对计算影响不大。采用了9℃/W的LED后不用改变PCB材质及面积，其TJ符合设计的要求。

　　PCB背面加散热片

　　若计算出来的TJ比设计要求的TJmax大得多，而且在结构上又不允许增加面积时，可考虑将PCB背面粘在“∪”形的铝型材上（或铝板冲压件上），或粘在散热片上，如图10所示。这两种方法是在多个大功率LED的灯具设计中常用的。例如，上述计算举例中，在计算出TJ=103℃的PCB背后粘贴一个10℃/W的散热片，其TJ降到80℃左右。

　　图10 “∪”形铝型材

　　这里要说明的是，上述TC是在室温条件下测得的（室温一般15～30℃）。若LED灯使用的环境温度TA大于室温时，则实际的TJ要比在室温测量后计算的TJ要高，所以在设计时要考虑这个因素。若测试时在恒温箱中进行，其温度调到使用时最高环境温度，为最佳。

　　另外，PCB是水平安装还是垂直安装，其散热条件不同，对测TC有一定影响，灯具的外壳材料、尺寸及有无散热孔对散热也有影响。因此，在设计时要留有余地。

　　结束语

　　采用一定散热面积的PCB、装上LED的试验板，在LED工作状态下测出TC再计算的方法来作散热设计是一种简便、有效的方法，可以较好地设计出满足结温TJmax要求的散热结构（PCB材质及面积）。

　　这种散热设计方法除适用于大功率白光LED的照明灯具外，也适用于其他发光颜色的大功率LED灯具，如警示灯、装饰灯等。

　　LED驱动电源设计和实现：

　　近几年LED作为新型节能光源在全球和中国都赢得得了很高的投资热情和极大关注，并由户外向室内照明应用市场渗透，中国也涌现出大大小小上万家LED照明企业。让LED照明大放异彩的最主要原因正是其宣扬的具有节能、环保、长寿命、易控制、免维护等特点。

　　然而颇具讽刺意味的是，我们常常听闻由于LED驱动电源本身的寿命直接拖累LED照明灯具变得并不“长寿”，极大地增加了维护/使用成本；或者驱动电源的效率不高导致LED照明灯具的能效转换比并不是想象中那么高，或者由于输出电流纹波没有得到很好的控制影响了发光品质，使得LED照明的绿色节能优势大打折扣，甚至影响了市场普及。

　　LED驱动电源的可靠性和能效是测试关键

　　1.高可靠性和寿命：驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配，特别对像LED路灯的驱动电源，因为装在高空，维修不方便，维修的花费也大；

　　2.高效率：对于电源安装在LED灯具内的结构，这一点尤为重要。因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降，所以LED的散热非常重要。电源的效率高，它的耗损功率小，在灯具内发热量就小，也就降低了灯具的温升，对延缓LED的光衰有利。

　　3.高功率因数 ：随着社会对供电质量的要求不断提高，人们越来越关注用电设备带来的电能质量和谐波问题。如欧盟已经发布标准，规定功率大于25W的电源设备必须具备功率因数校正电路。而其他很多国家对于30 ~40W的LED驱动电源，据说不久也将可能会对功率因数方面有一定的指标要求。

　　4. 恒流驱动：现在通行的有两种：一种是一个恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式组合灵活，一路LED故障，不影响其他LED的工作，但成本会略高一点。另一种是直接恒流供电，LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点，但灵活性差，还要解决某个LED故障不影响其他LED运行的问题。

　　5.适当的输出纹波：输出纹波会影响LED的光输出效果。但减小纹波需要使用更高品质和容量的电容。为提高电源整体的使用寿命，设计师往往倾向于采用无电容方案。工程师必须在输出纹波指标上确定折中方案。

　　6.浪涌保护：LED抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压能力。有些LED灯装在户外，由于电网负载的启甩和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。

　　7.保护功能： 电源除了常规的保护功能外，最好在恒流输出中增加LED温度负反馈，防止LED温度过高。

　　8.防护方面：对灯具外安装型结构，电源结构要防水、防潮，外壳要耐晒。

　　9.要符合安规和电磁兼容的要求。人

　　要达到高品质的驱动电源设计标准，就需要进行全面的测试测量分析，如图1所示，LED照明测试主要包括5个部分：电源质量、谐波、功率开关器件测量、调制分析以及驱动输出参数测试。