产品外壳散热计算(一)
散热计算模型
散热计算模型
对灯具的热传导计算方法进行了讨论，提出对于灯具的散热计算方法使用等效电路的热阻法计算，可以直接算出灯具内温度关注点与环境温度的温差。有利于判断导热结构是否可行。文中还用一个LED灯具散热计算实例说明了这种计算过程。
Luxeon 大功率LED在散热性能方面大大地优于普通的小功率LED，电通道和热通道分离开，它的LED芯片都连接在一个金属的嵌片上，散热性能得到很大的改善。
但是，大功率LED用于特种灯具，或用于恶劣环境使用的灯具，这些灯具的外壳防护等级一般都在IP65以上，如果外壳为非金属（如塑胶）材料，尽管LED连接上了铝基板（MCPCB），但铝基板上的热量如果不能被有效地传导至外壳表面，则聚集的热量会使铝基板的温度急剧上升，导致温度过高，增加了LED失效的可能性，造成LED光衰加剧，寿命缩短。
理论上计算灯具散热的情况，灯具的导热理论有许多困难，主要的困难是传导和对流同时对热传导起着作用，而对流是在密闭空腔内的对流，边界条件十分复杂；传导也是要通过多层导热物质、多层界面，截面积通常又是不等的，导致热流线分布的情况很难在计算之前就能通过分析得到。
由于灯具是在开启后逐渐升温，最后达到热稳定状态，也就是说，热稳定状态时各点的温度最高，所以灯具的散热计算一般只考虑稳态的情况，瞬态的温度分布情况并不重要。对于稳态含热源在各向同性的单一介质中的导热服从Poisson方程[1]：
式中为介质的导热系数，q''''''为热源的发热功率。
由于灯具的结构是多种介质，所以在实际计算中，必须对每一种介质逐一求解上式，计算灯具内的温度场分布是十分困难，而且是没有必要的。实际上，我们所关心的是某些部位的温度是否在可以容忍的温度范围之内，只要计算出这些部位在达到热稳定时的温度即可。
本文对效等电路的热阻算法进行了探讨，热阻算法的好处是无需知道确切的环境温度，也不必求解灯具内的温度场，直接计算灯具内关注点的温升，困难是热流线的分布必须通过分析而不是计算得到，而这一过程往往又是很复杂的。
下面以一个实例的计算来说明等效电路的热阻算法。
灯具要求的基本结构如下图，LED 处于密闭的塑胶外壳内，右侧的绝热层较厚，比较起其他部分导热，其导热基本可以忽略不计，热量主要通过支撑架、塑胶外壳、橡胶外套， 然后通过外部空气对流散到空气中。
1．简化模型：
（1） 铝基板视为一个等温热源；
（2） 支撑板与与铝基板之间有一个附加导热层；
（3） 由于塑胶的热导率比空气的热导率高得多，所以，空气的导热可以忽略不计；
（4） 支撑板与塑胶外壳之间有一层附加导热层
（5） 塑胶外壳与橡胶外皮之间为紧密接触
（6） 铝基板与外壳之间的对流导热可以忽略不计[2]
所以总热阻：
R=R1+R2+R3+R4+R5+R6
其中
R1 为支撑板与铝基板之间的附加导热层的热阻；
R2 为支撑板的热阻；
R3 为散热板与塑胶外壳之间的附加导热层的热阻；
R4 塑胶外壳的热阻；
R5 为橡胶外皮的热阻；
R6 为橡胶外皮处于空气中对流换热的热阻[1]。
2．计算
下面分别计算各部分热阻：
上述各式中，
ki（i=1，2，3，4，5）为各介质的导热系数；
Ai（i=1，2，3，4，5）为各介质的导热等效截面积；
di（i=1，2，3，4，5）为各介质的导热长度；
上式中，
为平均换热系数；
L 为定性长度，在大圆柱对流换热情况下，通常取圆柱直径；
GrL和Pr分别为无量纲的格拉晓夫数和普朗特数，不同情况下的数值可以查表获得；
C 为适配系数，在层流的情况下通常取0.53～0.54；
A6为对流换热的有效面积；
k6为空气的导热系数。
于是总热阻为
R=R1+R2+R3+R4+R5+R6=86.37(W/K)
LED约有1W的功率变成热量则铝基板的温升为：
ΔT=(T2-T1)=qR=86.37 (K)
其中T2为铝基板温度，T1为环境温度。
若环境温度为40℃，则铝基板的温度将要达到126℃，此时LED的结温达到166℃，根据Lumileds公司的“Luxeon Reliability”一文中介绍，Luxeon LED的失效与温度的关系为：
这样高的温度Luxeon的失效几率比结温120℃时失效几率大92854倍，接近10万倍。这种温度下运行可靠性很差，所以这种导热结构不可行。从各个热阻分量看，主要的热阻是支撑板的传导热阻，改进必须是针对它的结构改进。
若采用另一种热传导结构，取消塑胶的支撑架，换成0.3mm厚的电解铜散热板，如下图：
其它部分不变，电解铜散热板的热阻为：
电解铜散热板的折边有6mm，这部分的等效热阻为：
于是，总热阻变为：
产品外壳散热计算(二)
散热计算方法
大功率LED的散热问题：
LED是个光电器件，其工作过程中只有15%～25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。在大功率LED中，散热是个大问题。例如，1个10W白光LED若其光电转换效率为20%，则有8W的电能转换成热能，若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温（TJ）上升超过最大允许温度时（一般是150℃），大功率LED会因过热而损坏。因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。
另外，一般功率器件（如电源IC）的散热计算中，只要结温小于最大允许结温温度（一般是125℃）就可以了。但在大功率LED散热设计中，其结温TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ对LED的出光率及寿命有较大影响：TJ越高会使LED的出光率越低，寿命越短。
K2系列白光LED的结温TJ与相对出光率的关系。在TJ=25℃时，相对出光率为1；TJ=70℃时相对出光率降为0.9；TJ=115℃时，则降到0.8了。
：TJ=50℃时，寿命为90000小时；TJ=80℃时，寿命降到34000小时；TJ=115℃时，其寿命只有13300小时了。TJ在散热设计中要提出最大允许结温值TJmax,实际的结温值TJ应小于或等于要求的TJmax,即TJ≤TJmax。
大功率LED的散热路径.【产品外壳散热计算】
大功率LED在结构设计上是十分重视散热的。图2是Lumiled公司K2系列的内部结构、图3是NICHIA公司NCCW022的内部结构。从这两图可以看出：在管芯下面有一个尺寸较大的金属散热垫，它能使管芯的热量通过散热垫传到外面去。
大功率LED是焊在印制板（PCB）上的，如图4所示。散热垫的底面与PCB的敷铜面焊在一起，以较大的敷铜层作散热面。为提高散热效率，采用双层敷铜层的PCB，其正反面图形如图5所示。这是一种最简单的散热结构。【产品外壳散热计算】
热是从温度高处向温度低处散热。大功率LED主要的散热路径是：管芯→散热垫→印制板敷铜层→印制板→环境空气。若LED的结温为TJ，环境空气的温度为TA,散热垫底部的温度为Tc（TJ＞Tc＞TA），散热路径如图6所示。
在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。若管芯传导到散热垫底面的热阻为RJC（LED的热阻）、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气的热阻为RBA,则从管芯的结温TJ传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为：
RJA=RJC+RCB+RBA
各热阻的单位是℃/W。
可以这样理解：热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。
如果LED的散热垫与PCB的敷铜层采用回流焊焊在一起，则RCB=0，则上式可写成：
RJA=RJC+RBA
散热的计算公式
若结温为TJ、环境温度为TA、LED的功耗为PD,则RJA与TJ、TA及PD的关系为：
RJA=（TJ－TA）/PD (1)
式中PD的单位是W。PD与LED的正向压降VF及LED的正向电流IF的关系为：
PD=VF×IF (2)
如果已测出LED散热垫的温度TC，则(1)式可写成：
RJA=(TJ－TC)/PD+(TC－TA)/PD
则RJC=(TJ－TC)/PD (3)
RBA=(TC－TC)/PD (4)
在散热计算中，当选择了大功率LED后，从数据资料中可找到其RJC值；当确定LED的正向电流IF后，根据LED的VF可计算出PD；若已测出TC的温度，则按（3）式可求出TJ来。
在测TC前，先要做一个实验板（选择某种PCB、确定一定的面积）、焊上LED、输入IF电流，等稳定后，用K型热电偶点温度计测LED的散热垫温度TC。
在（4）式中，TC及TA可以测出，PD可以求出，则RBA值可以计算出来。
若计算出TJ来，代入（1）式可求出RJA。
这种通过试验、计算出TJ方法是基于用某种PCB及一定散热面积。如果计算出来的TJ小于要求（或等于）TJmax，则可认为选择的PCB及面积合适；若计算来的TJ大于要求的TJmax，则要更换散热性能更好的PCB，或者增加PCB的散热面积。
另外，若选择的LED的RJC值太大，在设计上也可以更换性能上更好并且RJC值更小的大功率LED，使满足计算出来的TJ≤TJmax。这一点在计算举例中说明。
各种不同的PCB
目前应用与大功率LED作散热的PCB有三种：普通双面敷铜板（FR4）、铝合金基敷铜板（MCPCB）、柔性薄膜PCB用胶粘在铝合金板上的PCB。
MCPCB的结构如图7所示。各层的厚度尺寸如表3所示。
其散热效果与铜层及金属层厚如度尺寸及绝缘介质的导热性有关。一般采用35μm铜层及
1.5mm铝合金的MCPCB。
柔*PCB粘在铝合金板上的结构如图8所示。一般采用的各层厚度尺寸如表4所示。1～3W星状LED采用此结构。
采用高导热性介质的MCPCB有最好的散热性能，但价格较贵。
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。
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℃
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℃【产品外壳散热计算】
=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。
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。
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3年以上LED照明产品光学设计工作经验，擅长LED 透镜设计，对光学模具有深入的了解，熟悉照明行业的相关标准；
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7、有良好的职业道德，能吃苦耐劳，有钻研精神与工作热情，工作认真仔细；有较强的判断、决策、计划与执行能力；
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好的表达能力和沟通能力，具有团队精神；
2、熟悉户外灯具、室内灯具、小夜灯等产品的开发、测试和生产；
3、熟悉LED灯珠及LED灯具的发光特性，熟悉二次光学设计；
4、熟练使用z
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