大功率LED的热功率计算

原创： 唐深 51CAE

引言

LED (Light Emitting Diode，发光二极管) 是一种将电能转换为光能的固体发光器件，其工作过程中只有10%～40%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。LED温升是LED性能劣化及失效的主因。

在大功率LED中，散热是个大问题。若不加散热措施，则大功率LED的灯芯温度会急速上升，当其结温上升超过最大允许温度时（一般是150°C），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。

  

温度对LED性能的影响

LED组件的许多性能特征都会受到工作温度的影响，某些性能特征经历的变化是可恢复的，比如光输出、颜色和电压，而其他性能特征，比如使用寿命，因工作温度过高而出现的性能降低，则是不可恢复的。若超过最大工作温度规格（通常为150°C结温），则可能对LED造成永久性或灾难性破坏，因此，必须保证LED在低于该限值的温度下工作。

• 1）光输出 高结温会造成光输出下降，这种下降是可恢复的。随着结温升高，LED的光输出降低，便当LED冷却后又会恢复；

• 2）颜色 随着结温升高，所有LED的颜色都会偏移；

• 3）电压 随着LED结温的升高，正向电压降低；

• 4）可靠性 任何LED的可靠性都与结温直接相关。结温越高，LED的寿命越短。

   

LED热功率计算

当电流流过半导体芯片的结时，LED会产生可见光。不过，LED效率达不到100%，大量流经LED的功率都以热的形式输出。在正常工作条件下，大约50%到60%的输入功率以热的形式输出，而剩余的输入功率则转换成光。为保守起见，假定LED将输入功率的25%转换成光，将输入功率的75%以热的形式输出。 下面方程式显示了如何计算热功率。

计算实例

某型号LED芯片的前向电压如下表   

 可支持的前向电流范围如下表  

 假如产品设计电流为2.0A，则LED芯片的最大热功率为 0.75*(2.80+4.00+3.50+3.50)V*2.0A=20.7W。 一般来说，仿真需要评估坏情况下（最大热功率）热设计方案的散热性能，因此，前面得到的LED最大热功率可作为仿真分析的热功耗输入条件。

 

小结

温度是LED照明设备性能的一个重要影响因素，不仅仅影响其预期工作寿命而且决定其工作性能。如果想通过CFD仿真的方式对散热设计方案进行评估，LED的热功率是必不可少的输入参数，本文详细介绍了LED热功率计算的方法，可供LED散热设计与仿真工程师参考。

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