LED照明热设计 - 图文

毕业设计（论文）

LED照明热设计

摘 要：随着LED制造工艺的进步，新材料的开发，各种颜色的超高亮度LED取得了突破发展，LED成为第四代光源指日可待。目前由于其光电转化率较低，大部分电能实际转化成了热量，所以如何提高其散热能力是LED 实现产业化急需解决的关键技术。本文通过对LED结构、发光原理及特性、热设计的基础理论、散热方式等一系列的方面进行分析，对LED的设计进行一系列的优化，使LED在生产以及应用的过程中能够更具有方向性和实用性。

[关键字] LED；热量；热设计；散热

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前言

自从爱迪生发明了灯泡之后，人类就进入了用电进行照明的时代。而在白炽灯发明近100年后，人类又迎来了照明史上的又一次革命，而引领这次革命的正是LED的发明。LED具有高效低耗、绿色环保、响应快、寿命长等优点，其对照明产业带来的冲击胜过当年白炽灯的发明。

LED被称作“第四代光源”。“第一代光源”是篝火，不仅用于照明，还可以用于做饭、制作陶瓷、杀菌、科学分析等方面；同样“第二代光源”的白炽灯，以及“第三代光源”的荧光灯等光源的许多功能与用途也早已被充分利用。因此，作为“第四代光源”之一的LED，其用途可以说是无限的。

LED照明技术的发展引起了国内外光源界的普遍关注，现已成为具有较大发展前景和影响力的一项高新技术产品。近年来随着城市建设和电子信息产业的高速发展，人们对光源的需求与日俱增，LED产品的开发研制生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业。目前，随着我国绿色照明工程的组织实施，促进了LED照明技术的创新和发展，使得LED在照明领域得以广泛应用，LED潜在的市场使其显示出了强大的发展潜力。

本文通过对LED结构、发光原理及特性、热设计的基础理论、热学指标、散热方式、封装等一系列的方面进行分析，以便读者能更深入的了解半导体LED在应用和设计中的一些知识。

由于时间仓促及笔者水平有限，文中存在漏洞与不妥之处在所难免，敬请读者提出批评和指正。

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目录

前言 ............................................................................................................................... II 第一章 概述 ................................................................................................................. 1

1.1 LED的发展史 .................................................................................................. 1

1.2 LED国内技术进展和市场前景分析 .............................................................. 1 第二章 LED的基础知识 .......................................................................................... 3

2.1 LED的结构 ................................................................................................... 3 2.2 LED的光源基本特征 ................................................................................... 3

2.2.1 发光效率高 ............................................................................................ 3 2.2.2 耗电量少 ................................................................................................ 4 2.2.3 使用寿命长 ............................................................................................ 4 2.2.4 安全与环保 ............................................................................................ 4 2.3 LED光源的特点 ........................................................................................... 4 2.4 常见LED的分类 .......................................................................................... 5

2.4.1 按发光管发光颜色分类 ........................................................................ 5 2.4.2 按发光管出光面特征分类 .................................................................... 5 2.4.3 按发光二极管的结构分类 .................................................................... 5 2.4.4按发光强度和工作电流分类 ................................................................. 5 2.4.5按功率分类 ............................................................................................. 6 2.4.5按封装形式分类 ..................................................................................... 6 2.5 大功率LED封装结构 .................................................................................. 6 2.6 常见照明灯具与LED的各性能对比 .......................................................... 6 第三章 热设计的理论基础 ....................................................................................... 9

3.1 LED照明热的产生 ....................................................................................... 9

3.2 散热的基础理论 ............................................................................................ 9

3.2.1 热传导 .................................................................................................... 9 3.2.2 热对流 .................................................................................................. 10 3.2.3 热辐射 .................................................................................................. 11 第四章 LED的指标 ................................................................................................ 12

4.1 LED的主要性能指标 ................................................................................. 12 4.1.1 LED的颜色 ....................................................................................... 12 4.1.2 LED的电流 ....................................................................................... 12 4.1.3 LED的电压 ....................................................................................... 12 4.1.4 LED的反向电压VRm ..................................................................... 12 4.1.5 LED的色温 ....................................................................................... 12 4.1.6 LED发光强度 ................................................................................... 12 4.1.7 LED光通量 ....................................................................................... 13 4.1.8 LED的使用寿命 ............................................................................... 13 4.2 LED的热学指标 ......................................................................................... 13

4.2.1 热阻Rth ............................................................................................. 13 4.2.2 LED的结温 ....................................................................................... 14

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4.3 LED正常工作条件或状态 ......................................................................... 15 第五章 大功率LED散热分析 ............................................................................... 16

5.1 大功率LED照明热设计流程 .................................................................. 16 5.2 大功率LED照明热设计方案 .................................................................. 16

5.2.1 结温的评估 .......................................................................................... 17 5.2.2 热阻的评估计算 .................................................................................. 17 5.2.3 LED灯具对流热传递计算 ............................................................... 17 5.2.4 LED灯具导热传递计算 ................................................................... 17 5.2.5 LED灯具辐射热传递计算 ............................................................. 18 5.3 计算分析LED实验并得出结论 .............................................................. 18 第六章 LED照明灯具的应用及对未来的展望 ...................................................... 19

6.1 道路交通领域 ................................................................................................ 19 6.2 交通工具领域 ................................................................................................ 19 6.3显示屏 ............................................................................................................. 19 6.4 农业 ................................................................................................................ 19 6.5 渔业 ................................................................................................................ 19 6.6 医疗 ................................................................................................................ 20 6.7 通信 ................................................................................................................ 20 结 束 语 ..................................................................................................................... 21 致 谢 ......................................................................................................................... 22 参考文献 ..................................................................................................................... 23

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第一章 概述

1.1 LED的发展史

1907年Henry Joseph Round第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。1936年，George Destiau发表了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电流的应用和被广泛的认识，最终出现了“电致发光”这个术语。20世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED，并于60年代面世。20世纪60年代末，在砷化镓基础上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED。磷化镓的改变使得LED更高效、发出的红光更亮，甚至产生出橙色的光。70年代中期，磷化镓被用作发光光源，随后就发出灰白绿光。80年代早期到中期对砷化镓、磷化铝的使用使得第一代高亮度的LED诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色。90年代中期，出现了超高亮度的氮化镓LED。

LED从最初的约0.05lm/W的光效，经历了0.1lm/W时代，几流明/瓦时代，数十流明/瓦时代，到现在的约120lm/W以上的发光效率，然而，LED的发展不单纯是它的颜色和亮度，而是像计算机一样，遵循摩尔定律的发展。每隔18个月，它的亮度就会增加一倍。早期的LED只能应用于指示灯，而现在开始出现在超亮度的照明和显示领域。

1.2 LED国内技术进展和市场前景分析

近几年，由于LED的光谱全部集中于可见光频率，效率可以达到50%以上。而光效差不多的白炽灯可见光效率仅为10%-20%，而成本也下降了90%，这些优势无疑把LED推向了照明市场的巅峰。目前LED已广泛应用在大面积图文全彩显示、状态指示、标志照明、信号显示、液晶显示器的背光、汽车组合尾灯及车内照明等方面。根据固体发光物理学原理，LED的发光效率能接近100%，因此，LED被誉为21世纪新光源，有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。LED应用领域也逐渐壮大：

1、LED显示屏的应用市场。我国LED显示屏市场起步较早，出现了一批具有很强实力的LED显示屏生产厂商。凭借着独特优势，LED全彩显示屏广泛应用在银行、证券交易所、医院、体育场馆、市政广场、车站、机场等场所。在LED需求量上，LED显示屏仅次于LED指示灯名列第二。

2、背光源市场。LED早已应用在以手机为主的小尺寸液晶面板背光源中，手机产量的持续增长带动了背光源市场的快速发展，特别是彩屏手机的出现更是推动了白光LED市场的快速发展。

3、车灯市场。从整个LED应用市场看，汽车应用市场还处于未发展阶段，市场规模也在不断扩大。LED作为车灯主要得益于低功耗、长寿命和响应速度快的特点。凭借着汽车产业的巨大产能，LED车灯市场有着巨大的发展潜力。

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4、室内装饰灯市场。室内装饰灯市场是LED的另一新兴市场。

5、景观照明市场。目前LED已越来越多的应用到景观照明市场中，北京、上海等地已建成一批LED景观照明工程，这些工程在装饰街道的同时还将起到示范作用，将会使LED景观照明从一级城市快速向二级、三级城市扩展。

6、通用照明市场。对于LED进入通用照明市场，功率型的白光LED除面临着发展效益低、散热不好、成本过高等问题外，还面临光学、结构与电控等技术的整合以及LED照明产品通用标准的制定问题，解决这些问题还需要一定的时间。

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第二章 LED的基础知识

2.1 LED的结构

LED的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。LED核心部分是由p

型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。当在电极上加上正向偏压之后，电子和空穴分别注入P区和N区，当非平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光电子的形式将多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

LED的基本结构是一块电致发光的半导体材料，它被置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用。如图1-1所示。LED的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。有的LED的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。与白炽灯和氖灯相比，当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从 LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

2-1 发光二极管的构造图

2.2 LED的光源基本特征

2.2.1 发光效率高

LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦，荧光灯50-70流明/瓦，钠灯90-140流明/瓦，大部分的耗电变成热量损耗。而LED光效经改良后将达到50-200流明/瓦，而其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。目前，世界各国均加紧提高LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。

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2-2 市面上的LED灯具图

2.2.2 耗电量少

LED单管功率0.03-0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5-3.5伏，电流15-18毫安，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯的万分之一，荧光灯管的二分之一、日本估计，如果采用光效比荧光灯还要高两倍的LED代替日本一半的白炽灯和荧光灯。每年可节约相当于60亿升原油。就桥梁护栏灯例，同样效果的一支日光灯40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦，而且可以七彩变化。 2.2.3 使用寿命长

LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达10万小时。LED灯具使用寿命可达5-10年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。 2.2.4 安全与环保

LED安全可靠性强发热量低，无热辐射性，冷光源，可以安全抵摸：能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。

有利于环保LED为全固体发光体，耐震、耐冲击，不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。

2.3 LED光源的特点

1、电压：LED使用低压电源，供电电压在6V-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。

2、效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。

3、适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。

4、稳定性：10万小时，光衰为初始的50%。 5、响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。

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6、对环境污染：无有害金属汞。

7、颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。

8、价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300-500只二极管构成。

2.4 常见LED的分类

2.4.1 按发光管发光颜色分类

根据发光管颜色的不同，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管不适合做指示灯用。 2.4.2 按发光管出光面特征分类

根据发光管出光面特征的不同，可分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。 从发光强度角分布图来分有三类：

1)高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。

2)标准型。通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。

3)散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。

2.4.3 按发光二极管的结构分类

根据发光二极管的结构，可分为全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。 2.4.4按发光强度和工作电流分类

有普通亮度的LED（发光强度小于10mcd<毫坎德拉>）；超高亮度的LED（发光强度大于100mcd<毫坎德拉>）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。

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2.4.5按功率分类

有小功率LED（0.04-0.08W），中功率LED（0.1-0.5W），大功率LED（1-500W），随着技术的发展，LED的功率越做越大。 2.4.5按封装形式分类

一种是SMD（贴片）和DIP（直插）两种

2.5 大功率LED封装结构

随着半导体材料和封装工艺的提高,LED的光通量和出光效率逐渐提高, 从而使固体光源成为可能, 已广泛应用于交通灯、汽车照明、广告牌等特殊照明领域, 并且逐渐向普通照明领域过渡, 被公认为有望取代白炽灯、荧光灯的第四代光源。

不同应用领域对LED光源提出更高要求, 除了对LED出光效率、光色有不同的要求, 而且对出光角度、光强分布有不同的要求。这不但需要上游芯片厂开发新半导体材料, 提高芯片制作工艺, 设计出满足要求的芯片, 而且对下游封装厂提出更高要求, 设计出满足一定光强分布的封装结构, 提高LED外部的光利用率。

目前封装多种多样，封装将随着今后的发展，不断改进和迎合实际需要，为LED今后在各个领域应用奠定基础。

2-3 大功率LED封装结构图

2.6 常见照明灯具与LED的各性能对比

光通量，由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的灵敏度，我们不能直接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光能量，必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位----光通量来衡量。光通量用符号Φ表示，单位为流（lm）。

目前白炽灯、卤钨灯的光通量为12-24流明/瓦、荧光灯50-70流明/

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瓦钠灯90-140流明/瓦，目前LED的光通量可达到到50-200流明/瓦。对于现阶段常见的白光LED的光通量，0.06W为3-5 lm，0.2W为13-15 lm，1W为60-80 lm。

下表列出LED分别在1W、3W、5W、7W、9W、12W的光通量分别对照卤素灯、白炽灯、节能灯在相同光通量下的功率比较。

LED 1W 3W 5W 7W 9W 12W 表2-1 光通量应用效率比较 卤素灯 白炽灯 35W 50W 25W 40W 60W 100W 150W 200W 节能灯 5W 7W 12W 24W 30W 40W LED亮度，一般用发光强度表示,单位是坎德拉cd；1000ucd（微坎德拉）

=1 mcd（毫坎德 拉）, 1000mcd=1 cd。室内用单只LED的光强一般为500ucd-50 mcd，而户外用单只LED的光强一般应为100 mcd-1000 mcd，甚至1000 mcd以上。

在相同亮度为800ucd下进行节能比较，结果如下表所示：

表2-2 节能比较（按每天8小时，一年时间的用电量）

LED 实际用电 卤素灯 实际用电 耗电%比 3400% 白炽灯 实际用电 25W×8×365 =73度 比LED耗能： 70度 40W×8×365 =116.8度 比LED耗能： 108度 60W×8×365 =175.2度 比LED耗能： 160.6度 100W×8×365 =292度 比LED耗能： 271.6度 150W×8×365 =438度 比LED耗能： 411.8度 200W×8×365 耗电%比 2400% 节能灯 实际用电 5W×8×365 =14.6度 比LED耗能： 11.68度 7W×8×365 =20.44度 比LED耗能： 15.68度 12W×8×365 =35度 比LED耗能： 20.4度 24W×8×365 =70度 比LED耗能： 49.6度 30W×8×365 =87.6度 比LED耗能： 61.4度 40W×8×365 耗电%比 400% 1W×8×365 35W×8×365 =2.92度 =102.2度 比LED耗能： 99.28度 3W×8×365 50W×8×365 =8.76度 =146度 比LED耗能： 137.2度 5W×8×365 =14.6度 1566% 1100% 133% 1233% 140% 7W×8×365 =20.2度 1345% 162% 9W×8×365 =26.2度 1571% 183% 12W×8×

1567% 203% 7

365 =35度 =584度 比LED耗能： 549度 表2-3 使用寿命的比较

=116.8度 比LED耗能： 81.8度 LED 1 PCS LED 卤素灯 25 PCS 卤素灯 白炽灯 33 PCS 白炽灯 节能灯 约8000小时/1个 6 PCS 节能灯 约50000小时/1个 约2000/小时/1个 约1500小时/1个

表2-4 一颗寿命（50000小时）的成本合计与卤素灯、白炽灯、节能灯对比 电费 7W LED 50000小时×7W×1000×0.8元 =280元 580元 （与LED相比） 50W卤素灯 50000小时×50W×1000×0.8元=2000元 2050元 1470元 100W白炽灯 50000小时×100W×1000×0.8元=4000元 4033元 3453元 24W节能灯 50000小时×24W×1000×0.8元 =960元 1140元 560元 灯具成本 300×1PCS=300元 2元×25PCS=50元 1元×33PCS=33元 30元×6PCS=180元 合计 差额 8

第三章 热设计的理论基础

3.1 LED照明热的产生

与传统光源一样，LED在工作期间也会产生热量，其多少取决于整体的发光效率。在外加电能量作用下，电子和空穴的辐射复合发生电致发光，在PN结附近辐射出来的光需经过芯片本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界（空气）。综合电流注入效率、辐射发光量子效率、芯片外部取出效率等，最终大概有50%-60%输入电能转化为光能，其余40%-50%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。

3.2 散热的基础理论

凡是有温差的地方就有热量的传递。热量传递的两个基本规律是：热量从高温区流向低温区；高温区发出的热量必定等于低温区吸收的热量——达到一种热平衡状态。 3.2.1 热传导

气体导热是由气体分子不规则运动时相互碰撞的结果。金属导体主要靠自由电子的运动来完成。非导电固体中的导热通过晶体结构的振动实现的。液体中的导热机理主要靠弹性波的作用。

热传导基本定理是傅里叶定理：在纯导热中，单位时间内通过给定面积的热流量，正比于该地垂直于导热方向的截面积及其温度变化率。

热传导的计算公式：

Φc=-λA(ɑt/ɑx)

o

式中：Φc——热流量，W；λ——导热系数，W/(m2 C)；A——导热方向上的截

2o

面面积，m；ɑt/ɑx——X方向的温度变化率，C/m；负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。

导热系数是表示物质导热能力的物理量。对于不同的物质，其导热系数各不相同，影响其数值大小的主要因素是物质的种类和温度等。一些常用材料的导热系数如表下表所示：

表2-5 材料名称 铝 铍 铍铜

导热系数k 51 177 106.3 材料名称 硅 氧化铝 氧化铍 导热系数k 146 11.8 118 9

黄铜 122 碳化硼 39.4 铜 394 金刚石 630 金 291 环氧树脂 0.197 铁 66.9 导热环氧树脂 0.787 柯伐合金 16.5 云母 0.709 铅 34.3 聚酯树脂薄膜 0.197 镁 157 酚醛塑料 0.197 钼 130 硅润滑油 0.197 蒙乃尔耐蚀合金 19.7 硅橡胶 0.197 银 417 聚四氟乙烯 0.197 锌 102 硅脂 0.197 锡 63 321不锈钢 14.6 钛 15.7 410不锈钢 24 钨 197 低碳钢 66.9 热传导的改善： ① 减小热传路径长度；

芯片封装外壳在保证电机性能前提下尽量薄； 导热膏或者导热垫尽量薄；

散热片的导热底尽量薄； ② 选用导热系数高的材料； ③ 增加导热面积

a) 散热片吸收底面积增加，芯片有效散热面积增大，纵向热阻减小； b) 散热底板厚度增加，芯片有效散热面积增大，横向热阻减小。 3.2.2 热对流

对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅发生在流体中，且必然伴随着有导热现象。流体通过某物体表面时所发生的热交换过程，称为对流换热。若流体运动是借由温度差所造成的密度变化，产生浮力带动运动，此种热传送为自然对流；若是借由外在动力驱动流体运动将热带走，则称为强制对流，如风机等引起的。对流换热的计算公式为：

ΦD=hcA(tw-ts)

式中：hc——对流换热系数，W/(m2·oC)；A——对流换热面积，m2； tw——热表面温度，oC；ts——冷却流体温度，oC。

表2-6给出了几种最常见的对流换热方式的换热系数的大致范围。

表2-6 对流换热系数大致范围 对流换热方式 空气自然对流 气体强迫对流 水自然对流 水强迫对流 水沸腾 高压水蒸气强迫对流

换热系数（W/（m2·℃）） 3～10 20～100 200～1000 1000～15000 2500～25000 500～3500 10

水蒸气凝结 热对流改善: 1、增加流体换热系数（单位：W/m2.oC）； 2、增加换热面积。 3.2.3 热辐射

5000～15000 物体以电磁波方式传递能量的过程称为热辐射。辐射能在真空中传递能量，且有能量方式的转换，即热能转换为辐射能及从辐射能转换成热能。任意物体的热辐射能力表示为：

ΦF=εAσo(TW-TS)

式中：ε—物体的黑度；σo—斯蒂芬.波尔兹常数（5.67×10-8/m?k4）;A—辐射表面积，m2;T—物体表面的热力学温度，K。

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第四章 LED的指标

4.1 LED的主要性能指标

4.1.1 LED的颜色

LED的颜色是一个重要的指标，是每一个LED相关灯具产品必须标明，目前LED的颜色主要有红色、绿色、蓝色、青色、黄色、白色、暖白、琥珀色等其他的颜色，而颜色的不同也会引起相关参数有很大的变化。 4.1.2 LED的电流

LED的正向极限电流（IF）多在20MA，而且LED的光衰电流不能大于IF/3，大约15MA和18MA。LED的发光强度仅在一定范围内与IF成正比，当IF>20MA时，亮度增强已经无法用内眼分出来。因此LED的工作电流一般选在17-19MA左右比较合理，这些都是针对普通小功率LED而言。而大功率LED一般，0.5WLED(IF=150MA),1WLED(IF=350MA),3WLED(IF=750MA)等等。 4.1.3 LED的电压

我们通常所说的是LED正向电压，就是说LED的正极接电源正极，负极接电源负极。电压与颜色有关系，红、黄、黄绿的电压是1.8-2.4V之间。白、蓝、翠绿的电压是3.0-3.6V之间，可能同样一批LED的电压略微会有一些差异。 4.1.4 LED的反向电压VRm

所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。 4.1.5 LED的色温

以绝对温度K来表示，即将一标准黑体加热，温度升高到一定程度时颜色开始由深红-浅红-橙黄-白-蓝，逐渐改变，某光源与黑体的颜色相同时，我们将黑体当时的绝对温度称为该光源之色温。 4.1.6 LED发光强度

单位坎德拉，即cd。光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为

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光源在该方向的发光强度。它即是描述了光源到底有多亮，发光强度越大，光源越亮.一般LED用单位是mcd。1000ucd（微坎德拉）=1 mcd（毫坎德 拉）, 1000mcd=1 cd。室内用单只LED的光强一般为500ucd-50 mcd，而户外用单只LED的光强一般应为100 mcd-1000 mcd，甚至1000 mcd以上。 4.1.7 LED光通量

单位流明，即lm。光源在单位时间内发射出的光量称为光源的发光通量。光源的光通量越大，则发出的光线越多。现在对常用白光LED流明例举出来如下：0.06W，3-5lm；0.2W，13-15lm；1W，60-80lm。 4.1.8 LED的使用寿命

LED一般都是可以使用50,000小时以上，LED之所以持久，是因为它不会产生灯丝熔断问题。有预测表明，高质量LED在经过50,000小时的持续运作后，还能维持初始灯光亮度的60%以上。

4.2 LED的热学指标

4.2.1 热阻Rth

在LED点亮后达到热量传导稳态时，芯片表面每耗散1W的功率，芯片pn结点的温度与连接的支架或铝基板的温度之间的温差就称为热阻Rth，单位为℃/W。数值越低，表示芯片中的热量传导到支架或铝基板上就越快。这有利于降低芯片中的pn结的温度，从而延长LED的寿命。

热阻是沿热流通道上的温度差与通道上耗散的功率之比，对于LED来说，热阻一般是指从LED芯片pn结到翅片上的热阻。

对于单个LED，设定PN结点生成的热沿着：结点—翅片—铝基散热电路板—空气，这个热路径传导。采用等效电路的热阻计算，PN结点到环境的总热阻:

Rja=Rjs+Rsb+Rba

其中，Rjs，Rsb，Rba分别是从结点到翅片，翅片到散热电路板，散热电路板到空气的热阻。

影响热阻的大小与以下因素有关：

（1）与LED芯片本身的结构与材料有关。

（2）与LED芯片粘结所用的材料的导热性能及粘结时的质量有关，是用导热性能很好的胶，还是用绝缘导热的胶，还是用金属直接连接。

（3）翅片是用导热很好的铜，或者铝，而且与铜、铝的散热面积大小也有直接的关系。

总之选用一定的材料与控制相关的技术细节，就可以降低LED的热阻，从而提高LED的寿命与工作效能。

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4.2.2 LED的结温

LED的基本结构是一个半导体的P—N结。实验指出，当电流流过LED元件时，P—N结的温度将上升，严格意义上说，就把P—N结区的温度定义为LED的结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。

结温Tj是衡量LED封装散热性能的一个重要指标。结温的表达式为:

Tj=Rja×Pd+Ta

其中，Pd为耗散的功率，Rja为LED器件PN结与环境温度的总热阻，Tj，Ta分别为LED器件PN结的结点温度和器件周围的环境温度。式中表明，同样大小的功率下，芯片结温升温越小，LED器件的性能越好。

在LED工作时，可存在以下情况促使结温不同程度的上升：

A、元件不良的电极结构，视窗层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值，这些电阻相互垒加，构成LED元件的串联电阻。当电流流过P—N结时，同时也会流过这些电阻，从而产生焦耳热，引致芯片温度或结温的升高。

B、由于P—N结不可能极端完美，元件的注入效率不会达到100％，也即是说，在LED工作时除P区向N区注入电荷(空穴)外，N区也会向P区注人电荷(电子)，一般情况下，后一类的电荷注人不会产生光电效应，而以发热的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入电荷，也不会全部变成光，有一部分与结区的杂质或缺陷相结合，最终也会变成热。

C、实践证明，出光效率的限制是导致LED结温升高的主要原因。目前，先进的材料生长与元件制造工艺已能使LED极大多数输入电能转换成光辐射能，然而由于LED芯片材料与周围介质相比，具有大得多的折射系数，致使芯片内部产生的极大部分光子(>90％)无法顺利地溢出介面，而在芯片与介质介面产生全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。

D、LED元件的热散失能力是决定结温高低的又一个关键条件。散热能力强时，结温下降，反之，散热能力差时结温将上升。由于环氧胶是低热导材料，因此P—N结处产生的热量很难通过透明环氧向上散发到环境中去，大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层，PCB与热沉向下发散。相关材料的导热能力将直接影响元件的热散失效率。一个普通型的LED，从P—N结区到环境温度的总热阻在300到600℃／W之间，对于一个具有良好结构的功率型LED元件，其总热阻约为15到30℃ ／W。巨大的热阻差异表明普通型LED元件只能在很小的输入功率条件下，才能正常地工作，而功率型元件的耗散功率可大到瓦级甚至更高。

降低LED结温的途径： A、减少LED本身的热阻； B、良好的二次散热机构；

C、减少LED与二次散热机构安装介面之间的热阻； D、控制额定输入功率； E、降低环境温度。

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4.3 LED正常工作条件或状态

LED是一种电流驱动的低电压单向导电器件，为保证LED正常工作，必须满足以下几个方面的基本要求。

（1）输入直流电压必须不低于LED的正向电压降，否则，LED不会导通而发光。LED的正向电压降与光色有关，一般红光、绿光、黄光的正向电压降通常为4-2.6V，白光LED的正向电压降通常为3-4.2V

（2）采用直流电流或单向脉冲电流驱动，当驱动并联的LED或LED串时，要求恒流而不是恒压供电。

（3）为防止LED损坏，应对流过LED 的电流加以限制。目前实现LED电流限制的方法主要有3种，分别为电阻器、有源线性控制、开关稳压器控制，每种方法都有优点和缺点。

（4）由于LED电流与其光能量之间的非线性关系，LED应在光效比较高的电流值下工作。

（5）大功率LED最好加设散热器，以防止器件过热而损坏。

（6）LED的电流不能超过LED的IF电流，过流的工作会使LED寿命很快下降，如果超出了就会把LED烧坏。

（7）环境温度-20℃~+40℃(要求灯具的散热设计做得比较好，LED灯引脚的温度不能超过60度)；

通常情况下，LED的储存环境温度应在-40℃到+100℃。LED的工作温度是-30℃到+80℃，但工作温度与热阻有关系。总而言之，LED在工作时，最好将它的pn结温度保持在100℃以下。

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第五章 大功率LED散热分析

5.1 大功率LED照明热设计流程

LED热设计 芯片内部热设计 封装热设计 使用热设计 生产工艺阶段确定 是 计算热阻和结温 输出结果 是否满足散热要求 否 设计散热方案 否 是否满足散热要求 是

优化方案 是 是否需要优化设计 否 输出结果 表5-1 大功率LED照明设计流程

5.2 大功率LED照明热设计方案

LED 是绿色光源，没有热辐射，所以，散热方式主要是传导和对流和辐射。 本文设计的是由50个LED组成的大功率LED照明器，总功率为50W的LED灯具的散热设计，设环境温度为30℃。根据3.1所述的理论，LED最终大概有50%-60%输入电能转化为光能，其余40%-50%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。

所以，50W的大功率，转化为光能为50W×60%=30W，LED真正转化为热量

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为50×40%=20W，从而要散出的热量为20W。 5.2.1 结温的评估

按照目前发光管管芯的耐温水平，通常结温不能大于125℃。结温Tj是衡量LED封装散热性能的一个重要指标。根据4.4结温的表达式为：

Tj=Rja×Pd+Ta（1）

其中，Pd为耗散的功率，Rja为LED器件PN结与环境温度的总热阻，Tj，Ta分别为LED器件PN结的结点温度和器件周围的环境温度。式中表明，同样大小的功率下，芯片结温升温越小，LED器件的性能越好。

由上述（1）式可得Rja=(Tj-Ta)/Pd=(80-30)/20=2.5 oC/W。 5.2.2 热阻的评估计算

根据4.2对热阻的描述，对于单个LED，设定PN结点生成的热沿着：结点—热沉—铝基散热电路板—空气，这个热路径传导。采用等效电路的热阻计算，PN结点到环境的总热阻:

Rja=Rjs+Rsb+Rba（2）

其中，Rjs，Rsb，Rba分别是从结点到翅片，翅片到散热电路板，散热电路板到空气的热阻。

设LED热阻为8oC/W，根据式（2）可知，Rba=Rja-Rjb/n=2.5-8/50=2.34oC/W。 当设置好了散热通道后，就考虑散热器方面，对铝散热器面积的估算，LED的热传递分别从对流和导热两方面进行讨论，对散热器散热性能的要求是相对于环境温度30 oC时散热器温度为70 oC 5.2.3 LED灯具对流热传递计算

在铝散热器与空气对流时，散热器的形状和位置不同，散热效果不同。使流体沿着肋片的表面流过，此时的散热效果最好。此时热传递系数hc为： 由热对流计算公式：

ΦD=hcA(tw-ts)=5.23×0.01×（70-30）=2.09W

式中：ΦD——对流换热的热流量，W；hc——对流换热系数，W/ oC ·m2；设hc=5.23W/ oC ·m2；A——对流换热面积，（设备热传导截面积：0.1m×

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0.1m=0.01m）；tw——热表面温度，C；ts——冷却流体温度，C。 5.2.4 LED灯具导热传递计算

由热传导的计算公式：

Φc=-λA(ɑt/ɑx)=51×0.01×90=45.9W

式中：Φc——热流量，W；λ是铝的热导率，查表得为216W/ oC ·m2——导热系数；A——导热方向上的截面面积（设备热传导截面积：0.1m×0.1m=0.01m2）；ɑt/ɑx——X方向的温度变化率，oC/m（设温度变化为10 oC，厚

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度是0.11m）；负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反，则温度变化率为90。

5.2.5 LED灯具辐射热传递计算

由热辐射计算公式：

ΦF=εAσo(TW-TS)= 0.9×0.01×5.67×10

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-8

×

[（273+70）4－（273+30）4]=1.13W

ε—物体的黑度（黑化铝ε=0.9）；σo—斯蒂芬.波尔兹常熟（5.67×10-8/m?k4）;A—辐射表面积，(A=0.01m2)。

5.3 计算分析LED实验并得出结论

由以上分析和计算发现通过截面积为0.01m2散热器传导出的热量为Φ：

Φ=Φc+ΦD+ΦF =45.9+2.09+1.13=49.12W

要满足传导出20W的热量需散热器具有表面积为：

A=20/49.12=0.40m2

散热器要将该LED灯具所产生的热传递出去，散热器的表面积应该大于0.40m2。即选用表面积大于0.40m2的铝型材散热器作为该LED照明灯具的散热装置。

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第六章 LED照明灯具的应用及对未来的展望

目前，作为“第四代光源”的LED凭借它高光效率、高光线质量、小能耗、长寿命、安全、绿色环保等优势备受关注，已成为照明市场上的宠儿。现今的LED已充分应用于停车场、商场、学校、医院、博物馆、酒店、隧道、地铁、广场、公园、住宅等各种领域。

6.1 道路交通领域

该领域的应用主要是LED交通信号灯。与以前的白炽灯相比，LED灯的能效提高：车辆用信号灯功率由75W降至15W，节能约80%；行人用信号灯由60W降至15W以下，节能75%以上。

6.2 交通工具领域

伴随高亮度红色LED的研制成功，LED应用于汽车刹车灯，其优点为响应时间短、识别性强、能耗低、寿命长。LED刹车灯的响应时间约比白炽灯短0.2s，其对安全方面贡献是显而易见的。

LED小巧轻薄的特点，也正适合轻轨车厢内的照明要求。

6.3显示屏

室内外大型显示屏和招牌是LED的重要应用领域。因使用高亮度LED,即使在白天也能显示饱和色图像，而LED的高响应速度也使其在该领域表现出色。 LED其他领域应用对未来的展望

6.4 农业

太阳光中有紫外到红外对种波长的光辐射，植物不需要所有波长的光能量。用LED产生利于植物生长发育的特定波长的光并在恰当时间照射植物，可提高植物培育效率，并且LED与白炽灯不同，没有热辐射，不会灼伤嫩叶，LED在植物工厂中的应用正在逐渐扩大。

6.5 渔业

目前捕鱼业领域正在开发LED诱鱼灯，由于LED光源特点，在海中的光衰减很小，同时也和鱼类的视觉灵敏波长范围相接近，这种LED很适合用作省电、

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高效的诱鱼灯光源。

6.6 医疗

最近出现了一种使用LED的胶囊状医疗检查设备。该“胶囊探测器”内装有白光LED和摄像器件。当病人将此“胶囊”吞下后，会自动在人体内对消化器官拍照，并将图像以电信号的形式传至体外。此外，不久前还开发了一种可戴在医生头上的像风镜似的LED灯具，这大大提高了医生手术时需要的亮度，并且头部也不会有光线遮挡，这些技术估计不久就可以普遍应用于医学界。

6.7 通信

LED在光通信领域的发展也倍受关注，若配以恰当的驱动电路，LED能够用于100Mb/s的高速数字通信，可组建家庭信息网络等。另外，关于基于LED的可为手机、汽车导航仪等，提供信息的可见光无线通信技术的技术的基础性研究也在积极进行中。

总之，到目前为止，对LED的技术开发是以普通照明用途为最终目标的，而且从当今的发展速度看，其成为新一代普通照明光源已成定势。于此同时，LED在照明以外的用途也开始受到关注。

LED的优势不仅是在照明领域，其在诸多领域中亦潜力巨大，期待今后进一步的开发。

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结 束 语

经过了一个多月的学习和实践，我终于完成了LED照明热设计的设计。从

开始接到论文题目到毕业论文的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战。在这段时间里，我学到了很多知识，也遇到过诸多问题。一开始对设计等相关技术并不是很了解，后期，我作了很多的准备，我开始查阅的大量的资料，从图书馆到网络，还去参加了成都关于LED照明会展，在会展中心，我学到了很多的东西，并对LED照明灯具有了更深入的了解，并切身感受到了LED灯具给照明行业带来的巨大贡献，由此对我的设计题目我也有了更深入的理解，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，每一点积累都是我学习的收获，从中我了解了许多从未见过的概念和设计的理念。

虽然我的毕业设计论文作品不是很成熟，还有很多不足之处，但我可以骄傲的说，在本次设计中，里面的每一点论述，都是经过我充分准备和认真学习所得，我是花了不少的心思的。学习就是一个不断积累的过程。通过这个过程，我认识到完事没有捷径，就像堆积木，只有脚踏实地的一个一个放好，最终才不完全崩溃。

本次毕业设计是我在校以来独立完成的一次设计，这个过程中，我对LED的概念从一颗小小的发光二极管灯改变到了对这种新光源的深入的了解。而且随着社会的发展，人类的任何先进的技术都要考虑到能耗的问题，在这方面LED有着绝对的优越条件。在随着我国的发展，从2008年的奥运会到2010年的世博会，为了给全世界人民以视觉上的最美享受，LED在其中起到很大的作用。随着LED应用领域的扩大，LED的能耗问题更成了人们关注研究的焦点，这也是最初让我去选择研究这个题目的因素。

我相信通过我的这次设计，无论是在以后的学习和工作过程中都将是我一生的财富。

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致 谢

在本次论文设计过程中，带我毕业设计的老师对该论文从选题、构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导，使得我最终完成完成毕业论文的设计。在此我表示衷心感谢。同时，我还有感谢这三年中众多老师对我的关心、支持与帮助，由衷的感谢我的老师们，你们辛苦了。 22

参考文献

【1】 李农，杨燕。LED照明设计与应用，科学出版社，2008

【2】 周志敏，纪爱华。LED照明与工程设计，人民邮电出版社，2010 【3】 周志敏，纪爱华。LED应用技术，中国电力出版社，2010 【4】 电子设备热设计，电子工业出版社，2009

【5】 史光国。半导体发光二极管及固体照明，科学出版社,2005 【6】 肖志国。半导体照明发光材应用，化学工业出版社,2008

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/w5jw.html