Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №5

Тепловые режимы мощных светодиодов DORADO

Винокуров Андрей


В настоящее время повысился интерес к созданию твердотельных источников света на основе светодиодов. Световая эффективность полупроводниковых излучателей уже достигла 100 лм/Вт. Вместе с тем, стремление к дальнейшему повышению выхода светового потока неизбежно при1 водит к увеличению прямого тока через кристалл полупроводника и, как следствие, к увеличению тепловыделения. Данные исследований говорят о том, что примерно 65–85% электроэнергии при работе светодиода преобразуется в тепло.

Введение

При неправильном тепловом расчете устройства излишек тепла повышает температуру активной области кристалла, что приводит к уменьшению максимального оптического выхода и ограничивает срок службы светодиода. К тому же, полимер, из которого изготовлен корпус светодиода, нельзя нагревать свыше определенного предела — деформация колбы может привести к обрыву токовода. Понятно, что температура кристалла, находящегося внутри полимерной колбы, не должна превышать некоего значения в определенном интервале времени. Именно поэтому многие производители не решаются на серийный выпуск светодиодов с рассеиваемой мощностью более 3–5 Вт.

Фирма COTCO Ltd разработала и начала серийно производить одноваттные светодиоды под торговой маркой DORADO. Основная особенность светодиодов DORADO — корпус QFN размером 7×7 мм для поверхностного монтажа. Уникальный способ крепления кристалла на теплоотводе позволяет эффективно передавать тепло от p-n-перехода к печатной плате или радиатору, позволяя светодиоду работать в оптимальном режиме. Выпускаются и мини-DORADO в корпусе QFN 3×3 мм с рассеиваемой мощностью 0,3 Вт. На рис. 1 показаны два типа DORADO рядом с обычным светодиодом в корпусе Р4 размером 7,6×7,6 мм.

Рис. 1. Внешний вид светодиодов DORADO
Рис. 1. Внешний вид светодиодов DORADO

Рассмотрим внутреннее устройство светодиода DORADO. Кристалл приклеен токопроводящим клеем с высокой теплопроводностью к медной подложке относительно больших размеров. Оптическая линза из полимера защищает конструкцию от внешних воздействий и формирует световой поток. Рис. 2 поясняет модель теплового сопротивления для светодиода DORADO, припаянного на печатную плату из фольгированного алюминия.

Рис. 2. Тепловая модель светодиода DORADO
Рис. 2. Тепловая модель светодиода DORADO

Сравним особенности конструктивного исполнения светодиодов Luxeon и DORADO, а также способы их монтажа на печатную плату (рис. 3). Видно, что Luxeon припаивается ленточными выводами и требует установки на теплоотводящую пасту, в отличие от DORADO, у которого на печатную плату припаивается весь корпус.

Рис. 3. Особенности монтажа светодиодов: а) DORADO; б) Luxeon
Рис. 3. Особенности монтажа светодиодов: а) DORADO; б) Luxeon

Мощность, рассеиваемая на светодиоде, прямо пропорциональна прямому напряжению и прямому току через светодиод:

где PD — рассеиваемая мощность, IF — прямой ток, VF — прямое напряжение.

Рассеиваемая мощность повышает температуру кристалла. Если температура перехода становится выше оговоренной в технической документации, светодиод может быть поврежден. Температура p-n-перехода рассчитывается следующим образом:

где TJ — температура p-n-перехода, Ta — температура окружающей среды, θjc — тепловое сопротивление между p-n-переходом и корпусом, θca — тепловое сопротивление между корпусом и окружающей средой.

Тепловое сопротивление определяется как отношение разности температур к соответствующему рассеянию мощности. Рассчитать температуру p-n-перехода при конкретном тепловом сопротивлении θja можно с помощью следующих уравнений:

Здесь Tja = TJ – Ta (разница между температурой p-n-перехода и температурой окружающей среды) и θja = θjc + θcb + θba или θja = θjc + θca (тепловое сопротивление между p-n-переходом и окружающей средой).

Для количества светодиодов больше одного

где n — количество светодиодов на одной плате.

При тепловом расчете проектируемого устройства многие параметры можно найти в технической документации. Важнейший из этих параметров — температура перехода, которая не должна превышать установленного максимального значения. Параметры белого светодиода DORADO LD-700DWN6-70 приведены в таблице 1.

Таблица 1. Тепловые параметры светодиода LD-700DWN6-70
Таблица 1. Тепловые параметры светодиода LD-700DWN6-70

К числу факторов, влияющих на тепловой режим, можно отнести величину прямого тока через светодиод, температуру окружающей среды, материалы печатной платы и радиатора. При проектировании устройства тепловые сопротивления между корпусом светодиода и печатной платой, печатной платой и окружающей средой должны быть рассчитаны дополнительно.

Тепловой расчет

Для понимания влияния температуры окружающей среды и теплового сопротивления материалов, используемых для печатной платы, в лаборатории COTCO Ltd были исследованы светодиоды DORADO, припаянные на плату из фольгированного алюминия размером 20×20×2 мм. Именно на такой плате (рис. 4) поступают в продажу светодиоды для потребителей, не имеющих паяльных печей. Стандартная упаковка светодиодов без радиатора для SMD-монтажа — это лента на катушке диаметром 300 мм.

Рис. 4. Фото светодиода DORADO на радиаторе из Al PCB
Рис. 4. Фото светодиода DORADO на радиаторе из Al PCB

Плата представляет собой алюминиевую пластину толщиной 2 мм с диэлектриком и слоем медной фольги толщиной 35 мкм. Средний слой изготовлен из особого диэлектрика с высокой теплопроводностью толщиной от 75 до 300 мкм. Первый слой (фольга) служит для изготовления токоведущих дорожек печатной платы. Как в случае с обычными фольгированными текстолитами, рисунок печатной платы можно получить травлением или фрезерованием этого слоя. Второй (диэлектрический) слой состоит из смеси полимера со специальной керамикой, что обеспечивает отличные диэлектрические свойства и очень низкое тепловое сопротивление. Он является проводником тепла к третьему слою — алюминиевой пластине, служащей радиатором для светодиода.

щью термозонда, введенного сквозь отверстие диаметром 1 мм в плате под медным основанием корпуса светодиода. Через 30 минут после включения питания были проведены измерения температуры корпуса. Данные измерений приведены в таблице 2.

Таблица 2. Данные экспериментальных измерений
Таблица 2. Данные экспериментальных измерений

Наряду с радиатором из фольгированного алюминия были исследованы и другие виды печатных плат размером 20×20 мм: из фольгированного стеклотекстолита FR4, и из двустороннего стеклотекстолита с просверленными дополнительными сквозными металлизированными отверстиями диаметром 0,4 мм (рис. 5). При пайке светодиода DORADO эти отверстия заполняет припой. На этих платах не были установлены никакие другие компоненты, выделяющие тепло во время работы. Эксперимент проводился при температуре окружающей среды 25 °C и нормальной влажности.

Рис. 5. Варианты монтажа
Рис. 5. Варианты монтажа

Спустя 30 минут после подачи питания радиатор из фольгированного алюминия имел более низкую температуру, чем печатная плата из фольгированного стеклотекстолита FR4, поскольку он имеет более низкое тепловое сопротивление и отдает большее количество тепла в окружающую среду.

Однако печатная плата из двустороннего фольгированного стеклотекстолита за счет наличия дополнительных металлизированных отверстий имеет лучшие тепловые характеристики, чем фольгированный алюминий (табл. 3).

Таблица 3. Данные экспериментальных измерений
Таблица 3. Данные экспериментальных измерений

График на рис. 6 иллюстрирует зависимость теплопроводности платы из фольгированного стеклотекстолита FR4 при различном количестве отверстий.

Рис. 6. График зависимости теплопроводности
Рис. 6. График зависимости теплопроводности

Размеры платы и расположение в пространстве

Размеры печатной платы и расположение ее в пространстве тоже влияют на величину теплового сопротивления между светодиодом и окружающей средой. Для изучения этих параметров было проведено экспериментальное исследование. Замерялась температура корпуса после работы светодиода в течение 30 минут. Данные исследований сведены в таблице 4.

Таблица 4. Данные экспериментальных измерений
Таблица 4. Данные экспериментальных измерений

При вертикальном размещении отвод тепла в условиях естественной конвекции будет лучше, чем при горизонтальном. График на рис. 7 иллюстрирует зависимость теплового сопротивления плат различного размера из фольгированного алюминия при разной ориентации в пространстве. Используя этот график, можно рассчитать площадь платы для достижения оптимального теплового режима.

Рис. 7. График теплового сопротивления
Рис. 7. График теплового сопротивления

Приведем пример расчета теплового сопротивления печатной платы на открытом воздухе (табл. 5).

Таблица 5. Параметры для расчета
Таблица 5. Параметры для расчета

Расчет для одного светодиода:

  • Рассеиваемая мощность на светодиоде PD = VF×IF = 0,95 Вт.
  • θJa = (TJ – TA)/PD = 73,7 °C/Вт.
  • θJB светодиода = θJC + θcb = 18 °C/Вт.
  • θJB сборки светодиодов = θJB/4 шт. = 4,5 °C/Вт.
  • θBA печатной платы = θJa - θJB = 55,7 °C/Вт.

Из графика на рис. 7 видно, что такое тепловое сопротивление обеспечит плата из фольгированного алюминия размером примерно 400 мм2.

Расчет для сборки из четырех светодиодов.

  • Рассеиваемая мощность на светодиодах PD = 4×(VF×IF)= 3,8 Вт.
  • θJa = (TJ – TA)/PD =18,4°C/Вт.
  • θJB светодиода = θJC + θcb = 18 °C/Вт.
  • θJB сборки светодиодов = θJB/4 шт. = 4,5 °C/Вт.
  • θBA печатной платы = θJa - θJB = = 13,9 °C/Вт.

Для нормальной работы такой сборки мы должны использовать плату площадью не менее 3500 мм2 или применить дополнительный радиатор с соответствующими тепловыми характеристиками.

Применение радиатора

Рис. 8. Внешний вид радиаторов
Рис. 8. Внешний вид радиаторов

Использование дополнительного радиатора — более эффективный метод, чем увеличение размера платы.

Таблица 6. Данные экспериментальных измерений
Таблица 6. Данные экспериментальных измерений

С его помощью можно значительно уменьшить температуру корпуса светодиода. Были проведены экспериментальные исследования двух видов алюминиевых радиаторов (рис. 8), размерами 28×18×8 мм и 38×38×6 мм. Данные приведены в таблице 6.

Влияние температуры окружающей среды

При увеличении температуры окружающей среды увеличивается и температура печатной платы с установленным на ней светодиодом. Чтобы компенсировать рост температуры корпуса светодиода, необходимо увеличить размер печатной платы или размер радиатора, что часто бывает затруднительно из-за ограниченного объема корпуса готового устройства. Возможно, придется поступиться некоторыми светотехническими параметрами при поиске компромисса в решении данной задачи. При этом необходимо учитывать, что пиковая длина волны изменяется примерно на 0,1 нм на каждый 1 °C изменения относительно комнатной температуры (25 °C). Световой поток также меняется в значительных пределах. Необходимо предусмотреть уменьшение прямого тока через светодиод, если невозможно снизить тепловое сопротивление при повышении температуры окружающей среды.

Заключение

В заключение еще раз обращаем внимание разработчиков на важность анализа теплового режима работы мощных светодиодов. Приведенные выше примеры упрощены для облегчения понимания основных принципов расчета тепловых режимов. Благодаря малым размерам корпуса, использованию кристаллов и технологий американской фирмы CREE мощные светодиоды DORADO производства COTCO Ltd — это надежное и эффективное решение для случаев, когда требуется обеспечить работу сборки светодиодов, расположенных рядом в небольшом пространстве (рис. 9).

Рис. 9. Сборки из светодиодов DORADO
Рис. 9. Сборки из светодиодов DORADO

Литература

  1. www.cotco.com
  2. www.marktechopto.com
  3. www.cree.com
  4. www.zolshar.ru
  5. www.powerled.ru
  6. www.e-neon.ru

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке