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LED照明灯具的热考虑

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  随着LED照明灯具(称为照明行业中的灯具)的使用越来越普遍,他们的设计师面临着LED的矛盾。虽然LED比白炽灯泡更有效(图1),但它们的最大允许工作温度要低得多,而且要比工作温度限制要低得多。[注意到,LED的可见光发光效率约为100流明/ W,与白炽灯的大约15流明/ W相比。]热熔性差的部分原因在于白炽灯泡的玻璃、金属和陶瓷的构造,这可以固有地耐受。比LED封装更多的热量。

  发光二极管发光效率的图像

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  图1:LED的发光效率(通常与它们的效率非正式地混淆)在过去几年中急剧增加,现在是白炽灯泡的五倍到六倍;讽刺的是,LED的热问题和相关的耗散挑战更为困难。

  然而,这种差异的很大一部分是由于LED如何管理自己的热量相比,传统灯泡。热物理表明,热有三种途径,从热源到较冷的散热器:

  辐射,其中热能作为电磁红外波离开。(注意这是宇宙真空中唯一的选择,使航天器冷却成为一个真正的挑战。)

  传导,热量通过固体或静态液体传播。

  对流,其中热量被流动的流体(气体,通常是空气,或一些先进设计中的液体)带走。

  大多数热源利用两种或甚至所有三种模式的组合,但以不同的比例消散热量。白炽灯泡通过辐射消除大部分热量,但与大多数组件和系统相比,这实际上是一种不寻常的情况。LED方案是更典型和有代表性的,因为模具内产生的热量通过源模和周围材料和固体路径传导,然后通过对流从模具中的一定距离去除。

  因此,虽然LED比白炽光源更有效,但其热状况更难管理,因为确保低阻抗热路径和在接收器处足够冷的出口可能是一个问题。源和汇之间的差异越大,整个热去除循环的功能越好。同样,它是基本物理:没有一个主动的热泵系统,如冰箱,热量只能从一个更热的区域流向一个较冷的区域,并且可以流动的热量,因此热量的去除率,取决于该差值。

  复杂的问题,基于LED的灯具可能还必须处理其AC / DC电源的热量,而AC白炽灯泡不必处理这个来源。虽然设计良好的LED电源通常在80%或更高的情况下是相对有效的,但仍然需要额外的热量来考虑热分析。


  LED热态建模

  设计者的目标是将LED芯片的结温保持在规定值以下,正如LED制造商所说的那样。这通常是介于85℃和125℃之间的温度,但如果供应商希望拥有更长的LED寿命、稳定的输出强度或输出颜色稳定性,则可能会更低,因为热是LED劣化甚至失效的主要原因。由于模具温度不能直接用于测量,设计者必须使用LED的模型来推断基于外部读数的临界数。

  供应商提供这些模型,它显示了沿着路径的每个阶段的热流路径和热阻。该路径将包括LED芯片本身、内部键合线、安装到基板或LED封装、封装本身、触点或引线的模具的热路径(图2)。该模型类似于电源电阻和电流流模型,其中有一个固定的电压源(LED热)驱动串联的串联电阻(热阻抗)。面临的挑战是建模所有的电阻,然后确定得到的电流-在电流流动类似于热流。

  图像的简化,但仍然深刻的,LED热模型

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  图2:一个简化的,但仍然具有洞察力的LED热模型,其中Q是热通过LED从热流动到冷;Tj是在器件的交界处的温度;Tc是LED阵列的温度;Th是散热器连接到TH的温度。E LED阵列;Tamb是环境空气温度;R Th JC是从结到LED阵列的情况下的热阻;R Th CH是LED阵列和散热器之间的热阻;R TH HA是散热器的热阻。

  建模热流和冷却比建模电源、电阻器和电流更复杂,因为热量不限于电线和部件的明确定义的、受限的路径。热通过固体和静态液体在所有方向上传导,并以对流的方式以复杂的方式传递。由于这些原因,LED光源或灯具的全建模从热阻抗的基本分析开始,但通常必须扩展到使用计算流体动力学(CFD)建模包来更深入地分析更复杂的热流路径和在关键点处的合成温度。在任何冷却情况下,两个关键问题都很简单,尽管它们的答案可能并不简单。这些是:1)热量最终被移除的地方;2)它是如何到达那里的?如果一个源在另一端无处可去,就没有热量,因为它最终将停止在那里。它就像一辆汽车,可以在起点A和终点B之间搭乘多条公路和高速公路;如果你接近B时会出现交通堵塞或交通堵塞,最终汽车将无法前进。


  冷却方式

  在大多数热的情况下,设计者在被动或主动冷却之间有选择。被动冷却采用自然传导和相关对流,可能是由散热器补充以加速两者,而主动冷却通常采用风扇来驱动气流(尽管其他技术如流体流动)被用于诸如服务器数据中心等一些利基应用中。冷却)。一般来说,设计师通常考虑到可能的被动冷却,原因有几个。它安静、可靠(没有风扇磨损),而且价格便宜(不需要风扇或控制器)。然而,在某些情况下,被动单独可能不是一个可接受的选择,因为它可能提供不足的冷却;更重要的是,所需的散热器可能太大,难看,机械笨拙,或昂贵。一般而言,基于风扇的等冷却能力的主动系统小于仅具有散热器的被动设计,尽管主动设计仍然需要散热器来在LED散热之前将热量传导离开LED本身。

  正如在冷却电源和热底盘与风扇驱动的空气流,有次要的问题,无论是被动和主动设计。在灯具中,常见灰尘的积累是人们关注的问题。即使在具有良好空气过滤性能的住宅中,灰尘通常是不可避免的和不可避免的,它们将落到散热器或风扇叶片的散热片上,从而降低其效率和冷却能力低于设计最小值。滤波器在灯具中不实用,它们也最终需要清洗。

  另一个因素是用户对照明声学噪声的期望与被动方法的权衡。即使风扇非常安静(通常低于50分贝),风扇也会有一些噪音,以及通过散热器本身的气流。用户可能习惯并期望绝对安静的光源,即使是非常温和的嗡嗡声和气流噪声也会让人感到紧张或不舒服。

  也有电气方面的问题。正如汽车或PC中的冷却风扇可能需要在单元关闭后继续运行以降低温度,灯具的冷却风扇可能需要在关闭后运行几分钟,以去除残留的LED热。与汽车或PC中的智能或软功率控制不同,灯的灯具布线电路通常是一个直接连接开/关回路:当用户打开灯“关”时,电源被移除,没有办法运行冷却风扇。因此,在正常操作期间,必须确定一个主动系统以足够快地去除热量,从而不需要断电风扇时间。


  供应商解决复杂问题

  设计师计划使用散热器单独或散热器+风扇冷却,可以考虑标准现成的硬件或定制设计单位。虽然后者在技术上可能是更好的解决方案,但是它们比标准单元更昂贵(除了在非常高的体积中),并且具有更长的提前时间;而且,直到原型被建立和评估,实际的性能可能不同于模型化的结果,或者可能是不存在的。机械问题。

  与此相反,标准单元可能不是绝对最好的,而是可用的,成本更低,并且样品可以在设计最终或更大数量之前检查和验证。此外,散热器和风扇的供应商认识到冷却LED灯泡和灯具是一个巨大的和不断增长的市场,因此,他们已经开发了许多标准版本和变化,供设计师考虑。

  对于被动热管理,Wakfield热解决方案提供了82-100AB系列散热片散热片(图3)。它是专门设计用于自然对流的LED布置在“星”配置,这是一种常见的风格。每个家庭成员具有多套安装孔,以适应不同的LED车身尺寸,这简化了设计和库存备货。最薄的版本具有0.5英寸(12.7毫米)的高度,并将温度上升到60℃以上,具有9 W耗散负载;最高的构件是3英寸(76毫米)高,并且在相同负载下保持温度上升到28℃。该设计还可以安装风扇,大大提高了热性能。

  Waykfield热解决方案82-100AB系列径向翅片散热器

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  图3:来自Wayfield热解决方案的182-100AB系列散热片散热器设计用于多个LED星形阵列配置,可从多个供应商获得,并可容纳不同的LED直径;在需要进行主动冷却的情况下也可安装风扇。

  专门设计用于LED模块和阵列的主动冷却,来自Nuventix的SynJet Downlight Cooler声称寿命为100000小时(图4)。它可以被硬连线在四种有源模式之一——高性能、标准、无声和100%占空比PWM中——具有相关的声压级(SPL)额定值为30, 22, 19,和30分贝,以及用作无源的仅是静默的单元。根据模式,5 V的合成射流本身需要在350和450兆瓦之间。根据LED功率,它可以耗散,同时保持温度上升到30℃;对于所引用的五种模式,耗散额定值分别为40, 32, 28、32和15 W,这是一个宽的跨度,正如您所期望的模式之间的差异。

  SyjJET冷却器安装在散热器上,产生热管理解决方案。该单元是围绕振动膜片的塑料外壳。隔膜和外壳产生高速湍流气流的脉冲,在其尾流中拉空气,根据供应商增加总空气流量高达五倍,并改善散热器的热传递。工程师们可以从Nulyx公司的产品培训模块中找到SyjJiver冷却器的附加细节,NultIX名为SyJET冷却器,用于LED照明。

  NuTurx SimJET下射冷却器120的图像

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  图4:对于使用主动冷却的设计,NUn通风X公司的SyJunt下冷却器120集成了风扇和散热器,并且可以被设置为以多种模式运行,每个模式提供不同的冷却能力、噪声水平和其他性能权衡。


  综上所述

  虽然LED似乎是近乎理想的照明替代低效白炽灯泡,由于其效率,小尺寸和多功能性,但现实是,热问题可以消耗大量的设计师的时间和思想。作为半导体器件,热是彻底失效、强度衰落、颜色偏移和性能一致性的敌人。与传统的白炽灯泡相比,基于LED的照明和灯具(灯具)提供了一个设计机会,同时也是一个挑战。虽然LED比灯泡更有效,因此散热比灯泡少很多,但它们产生的热量仍然存在于芯片中,不会像灯泡一样辐射出去。除非热量被移除,LED的寿命将会缩短,LED甚至会自毁。

  提供适当的热管理系统需要考虑物理配置、LED数量、安装技术、被动与主动冷却的选择、热建模以及适当的散热权衡。本文已经研究了LED热传导的基本模型,以及如何可以相对于LED功率水平去除热量。它着重于与灯具一起使用的被动和主动冷却技术之间的权衡,并讨论了为什么选择是技术性的,而必须考虑主要的。