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更可靠、高效的LED热分析计算方法

时间:2017-04-06 10:42:17    来源:

  飞利浦流明(Philips LumiLEDs)的专家米希尔克鲁格博士最近发表了一篇关于准确有效的LED热量计算方法的文章,文中详细说明了关于可增加白色LED热分析的精确度及其简化分析的过程。下文是米希尔克鲁格博士发表文章的全文。

  时至今日,白色LED的热分析仍旧是一门未完成的科学。大多数LED灯具和照明器制造商只能依赖于不充分、不准确或模糊的数据来确定LED设备在相关应用领域的性能,这往往可能导致其散热片设计过度工程化。

  目前业内通常使用功率转换效率(WPE)方法来计算LED转换为光辐射所需的功率,以及LED实际所产生的热量。WPE的缺陷在于,同一产品类别中各个LED设备之间得出的结果差异甚大,使得灯具和照明器制造商很难对LED产品进行比较。而且,WPE通常也与操作环境有很大关系。我们将介绍一种简单明了、基于辐射发光效率(LER)的LED发热量计算方法。最先进、荧光转换型白色LED的LER一般都保持恒定,因此照明器设计商可利用此公式来快速估计LED设备所产生的热量。

  LED与散热

  在热模拟实验中,LED有时会被模拟成简单的电阻式加热器,所有将进入LED的电功率假定会转换成热量并反过来从照明器发散出去。但这一假设存在一个问题,那就是太过保守:高亮度荧光转换型白色LED一般会将30%的传入电功率转换为光,而宝蓝色LED的转换功率可大大超过50%。因此,高亮度LED发热所需的总功率通常低于进入LED的总电功率。

 若这一降低的发热容量被不适当地纳入热模拟中,预期的照明器内部温度将过高,因而将需要采用更复杂、成本更高的散热片设计。这对于那些需要从小型PCB板和散热片发散特定热量(5W-10W)的应用尤其重要,例如改造型的LED灯泡。要评估灯具或照明器的累计热性能,设计商必须合理考虑传入电功率将分别转换为光和热的比例有多少。

  如今LED行业常用的WPE方法被定义为LED总辐射功率与传入LED总电功率的比率。由于WPE取决于LED的标称通量和电压,且是实际驱动电流及连接温度的强函数,因此在同一个产品类别的不同LED设备之间得出结果差异较大。因而对于特定的LED产品类别而言,很难针对不同的驱动器条件、通量和电压BIN组合定义一个典型的WPE值。

  辐射发光效率

  对比之下,进行LED应用的热评估时使用辐射发光效率(LER)比WPE更具信服力,前者可以量化光源的可见光发光效率。更具体地讲,LER被定义为光源的总适应光通量(流明)除以其总辐射功率(瓦特)。LED的LER值可以直接从辐射光谱功率分布(通常印于设备的数据表上)获取,且与WPE不同的是,LER值不因标称通量和电压或实际驱动电流和连接温度而产生明显变化。已知LER值的情况下,就可以通过以下公式计算出LED的总发热量:

飞利浦Lumileds:更可靠、高效的LED热分析计算方法

  其中,菱形符号表示LER值,If表示驱动电流,Vf表示操作条件下的正向压,Φv表示操作条件下的总发光通量。例如,对于一个典型LER值为300lm/Wrad的荧光转换型白色LED,假设其驱动电流为1000mA,发光通量为300lm,正向压为2.9V,那么根据上文公式就可以算出其总发热量为1.9W。

  当前荧光转换型白色LED生产工艺所取得的进步使同一产品类别LED的精确色点控制成为可能,因此LER值更为一致。事实上,例如飞利浦流明(Philips Lumileds)等制造商推出的最新照明级LED(3阶MacAdam椭圆)已可实现极佳的颜色控制。这允许制造商定义一个针对特定CCT、可代表同一产品类别所有LED的典型LER值。

  飞利浦现在已经开始在“LED系统计算器”中使用LER值,这样使得LED系统设计商可以通过这一工具找到用于其最终照明应用的关键性能指标,包括系统发热量及发光量。这样一来,飞利浦就可以帮助设计商更轻松地设计出满足预期要求、散热片相关成本更低的灯具和照明器。此外,利用LER值可以更容易对不同制造商的同一类别LED进行比较,提高了透明度并简化了LED规范流程。


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