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影响LED灯具结温因素的分析
来源：上海合复新材料科技有限公司 发布时间：2011年03月23日
LED照明具有节能、环保、工作寿命长等特点，因而发展非常迅猛，发展潜力巨大。然而半导体照明（LED）虽然比白炽灯消耗的能量低很多，但目前LED芯片在工作时光电转化率仍然不高，只有20%-30%左右，大部分能量都转换为热能；另外，驱动电源在工作中也会产生一定的热量。通电以后，电源和LED芯片开始工作，不断产生热量 ，产生的热量首先传导给散热器，再由散热器将热量导出，然后通过散热器外表面通过自然对流和辐射等方式散发到环境中。最初，产生的热量大于散出的热量，LED的结温会不断升高，经过一段时间（约1-2小时），产热、散热达到平衡，LED的结温基本保持不变。如果LED的结温过高，会造成LED发生不可逆光衰，其寿命会降低甚至失效。那么，影响LED芯片结温的因素究竟有那些呢？首先LED灯具结温可由热阻公式R总=（Tj-T环）/W产推知：Tj=R总*W产+T环（式中Tj——LED结温，R总——LED芯片到环境的总热阻，W
产——总的产热功率，T环——环境温度）。从以上公式可以看出，
影响LED结温的因素主要是产热、散热（热阻）和环境温度，具体地说,就是对于一个LED灯具，整体的产热功率越大、散热效果越差、环境温度越高，LED
芯片的结温越高；反之，芯片的结温越低。下面我们分别就产热、散热和环境温度对LED结温的影响加以分析。
1．
产热对LED结温的影响
图1 LED灯具工作示意图
首先我们分析一下LED灯具的构成，一般一个直流LED灯具主要包括灯罩，灯板（包括铝基板和灯珠），散热器，驱动电源、接口等，如图1示。其中只有灯珠里的发光芯片和电源在工作时产生热量。LED灯、驱动灯源在工作时，单位时间内产生的热量可以简单地认为分别与其功率成正比，基本是一个恒定值，与散热无关，可用以下公式表示：
W产= W灯产+ W电产 ① W灯产=W灯*a
②
W电产=W电*b③ 式中：
W产——LED灯具工作中单位时间内产生的总热量 W灯产——LED灯芯片工作中产生的总热量 W电产——驱动电源工作中产生的总热量 W灯——LED灯输入功率 W电——驱动电源自身的功率
a——LED灯产热系数（=100%-发光效率） b——驱动电源产热系数
从以上公式可以看出，影响LED灯具产热多少的因素主要是光源和驱动的功率及工作效率，下面我们分别就光源、驱动对LED的结温影响因素加以分析：
1.1 LED光源对结温的影响（灯具结构一定，环境温度一定的情况下）：
1.1.1 输入功率一定，芯片发光效率对LED结温的影响：由公式②可知，LED灯的输入功率一定，芯片发光效率越高，产热越少，LED结温越低；反之，芯片发光效率越低，产热越多，LED结温越高。
1.1.2 LED芯片发光效率一定，输入功率对结温的影响：由公式②可知，芯片发光效率一定，LED输入功率越大，产热越多，LED结温越高；反之，LED输入功率越小，产热越少，LED结温越低。
1.1.3 输出流明一定，LED芯片发光效率对结温的影响：输出流明一定，采用芯片发光效率高的灯珠，其输入功率会降低，同时公式②中的系数a也减小，从公式②可以看出LED灯产生的热量会减少，LED的结温也会相应较低，反之，LED的结温会相应较高。
1.1.4 LED输入功率一定，芯片发光效率一定，灯珠的数量及分布对LED结温的影响：实际功率一定，芯片发光效率一定，LED产生的总热量是一定的，但灯板上灯珠的数量越多，灯珠越分散，单珠LED发热量越小，发热点越分散，单珠LED结温越低；反之，灯珠越少，发热点越集中，单珠LED结温越高。
从另一个角度来说，对于一定结构的LED灯具，LED发光效率一定的情况下，增加灯珠的数量并保证灯珠在铝基板上分散均匀，可以在LED结温不变的情况下使LED输入功率增大，输出流明也增加；如果同时提高LED芯片的发光效率，效果会更加明显。 1.2 驱动电源对LED结温的影响
从公式③可以看出，对于一定的LED灯板，驱动电源的自身功率越小、工作效率越高，工作中产生的热量越少，LED的结温越低；反之，驱动电源在工作中产生的热量越多，LED的结温就会越高。一般非隔离式电源比隔离式电源效率高，产热量少，同样条件下LED结温会降低；另外，如果采用交流LED光源，省掉驱动电源，效果可能会更好。 2．导热、散热对LED结温的影响
驱动电源
LED灯具主要是通过散热器将热量导出并散发到环境中，从灯罩散发到环境的热量很少，为便于分析，在此忽略不计。在灯源、电源和环境一定的情况下，LED芯片结温的高低主要看LED等发热源到环境导热、散热的效果，影响导热、散热效果的主要因素是发热源到环境的热阻大小，热阻越大导热、散热越差，LED结温越高；热阻越小散热越好，LED的结温越低。芯片到环境的热阻包括LED灯珠（芯片到基板）本身的热阻，基板到散热器的热阻；驱动电源到散热器的热阻；散热器到环境的散热热阻等。总的热阻等于各部分热阻的总和——相当于热阻的串联，用公式表示为：R总= R灯+R基+R电+R散总。下面对影响LED灯具的各部分的散热热阻因素加以分析。
2.1 LED本身热阻的影响因素： LED本身热阻（R
灯）是
LED出厂时的一个参数，其大小与芯片热阻的大小，
热通道的材料、架构以及封装工艺等有关。一般芯片的热阻越小，热通道材料的导热系数越大，通道环节越少、传热面积越大、距离越短，封装各环节的接触越紧密等，LED本身的热阻就越小；反之，LED本身的热阻就越大。
2.2 铝基板到散热器之间热阻的影响因素：
铝基板到散热器之间的热阻（R基）主要与铝基板本身热阻及铝基板与散热器的连接方式有关。一般采用铝基板与散热器直接相连比铝基板加过度铝板再与散热器相连的热阻要小；铝板、铝基板表面平整度越好热阻越小；铝基板与散热器之间连接越紧密热阻越小；铝基板与散热器接触面之间涂导热硅脂比不涂导热硅脂热阻要小；反之铝基板到散热器之间的热阻越大。
2.3 散热器热阻的影响因素：
散热器的热阻（R散总）是指散热器到环境的总热阻，包括散热器自身的导热热阻和散热器到环境的散热热阻两部分，即R散总=R导+R散。
2.3.1 散热器本身导热热阻影响因素 散热器本身导热热阻可用以下公式计算：
R导=（T1-T2）/W产 ④ 式中
R导——散热器本身导热热阻 T1——散热器受热点的最高温度 T2——散热器外表面平均温度
W产——LED灯具工作中单位时间内产生的总热量
另外，根据能量守恒定律，热平衡后单位时间内LED灯及驱动电源总产热与散热器身导出的热量是相等的，用公式表示为：W产=W导（热量从灯罩散出的很少，为便于分析，在此忽略不计），其中
W产= W灯产+ W电产= W灯*a+ W电*b ⑤ W导=λ．s．(T1-T2)/L ⑥ 式中
W导——为散热器单位时间内导出的热量 λ——散热器材料导热系数 s——散热器平均传热面积 L——散热器热传导平均距离 将公式⑤、⑥带入公式④可知
R导=（T1-T2）/W产=（T1-T2）/W导 = L/（λ．s）
对于特定散热器L、λ、s是一定的，因此对于特定散热器，散热器自身的导热热阻是一个定值，和电阻一样，是一个仅跟散热器本身参数有关的常数，它与散热器平均传热距离成正比，与散热器平均传热面积、散热器材料导热系数成反比。对于不同的散热器，散热器材料的导热系数越高，平均传热面积越大，平均传热距离越短，散热器的导热热阻越小；反之，散热器的导热热阻越大。
2.3.2 散热器表面到环境的散热热阻影响因素
散热器外表面向环境散热应该以对流为主，其次为热辐射，空气热传导很小可以忽略不计，因此散热器表面到环境空气的散热热阻R散包括对流热阻R流和辐射热阻R辐，其中对流热阻和辐射热阻相当于热阻的并联。在LED灯具产热、散热达到平衡以后，散热器散热热阻计算公式如下：
R散=(T2-T3)/ W产 ⑦