№2 / 2013 / статья 5

Спасительная прохлада, или теплоотвод для мощных светодиодных матриц

Михаил Гонин (г. Санкт-Петербург)

Благодаря высокому световому потоку и длительному сроку жизни (порядка десятков тысяч, а то и сотен тысяч часов), светодиодные светильники являются очень конкурентоспособным решением. Тем не менее, у многих поставщиков и производителей светодиодных светильников возникают трудности при работе с новыми мощными светодиодами (от 20 Вт). И особенно частой проблемой является проектирование правильного и надежного отвода тепла. Неверно выбранный тепловой режим работы светодиода может привести к нежелательным последствиям. В первую очередь, перегрев может привести к выходу светодиода из строя. У всех светодиодов компании CREE критическая температура перехода — 150°С превышение этого порога приведет к выгоранию кристалла светодиода и долгому процессу ремонта.

Во-вторых, работа при повышенных температурах значительно уменьшает срок службы светодиодов (рисунок 1). На графике изображены зависимости для трех температур в «точке пайки» светодиода: 55, 85 и 105°С. Графики с пометкой LM-80 показывают время, в течение которого проводились испытания. Графики с пометкой TM-21 отображают снижение светового потока от изначального уровня в зависимости от времени. Как видно из графиков, при повышенной температуре работы срок службы светодиодов значительно сокращается: при 105°С срок службы светодиодов на 200 тысяч часов меньше, чем при температуре 85°С.

Также от температуры зависят следующие параметры светодиода:

Величина светового потока. На рисунке 2 изображена зависимость величины относительного светового потока от температуры для светодиодов серии MKR компании CREE. Как видно из графика, с увеличением температуры перехода светодиода величина светового потока уменьшается, и наоборот — при хорошем охлаждении поток возрастает.

Прямое падение напряжения. С изменением температуры меняется и величина прямого падения напряжения на светодиоде (Vf). С увеличением температуры напряжение уменьшается. Величина изменения напряжения зависит от конкретной модели. В таблице 1 приведены значения коэффициентов зависимости напряжения от температуры для серий светодиодов MKR и MKR2. Важно принимать во внимание значение данного параметра и выбрать драйвер для осветительной системы так, чтобы он мог обеспечивать необходимое напряжение во всем рабочем диапазоне температур светодиода.

Таблица 1. Значения коэффициентов зависимости напряжения от температуры для серий светодиодов MKR и MKR2

Наименование Коэффициент зависимости напряжения от температуры, мВ/°С
MKR -7
MKR2 -28

Как видно из графиков (рисунки 1, 2), при температурах меньше 100°С световой поток уменьшается незначительно, а при температуре 85°С равен 100%. В последнее время тестирование светодиодов проходит при температуре перехода 85°С, поэтому при температурах ниже 85°С на графиках наблюдается увеличение светового потока. Данную температуру и будем считать рабочей температурой для светодиодов компании CREE.

 

Рис. 1. Время жизни светодиодов XPG, в зависимости от температуры

 

 

Рис. 2. Зависимость светового потока от температуры перехода на примере светодиода серии MKR

А теперь опишем методику расчета и подбора теплоотвода для мощных светодиодов. Светодиод, как и любой другой электронный прибор, не обладает значением КПД 100%, а это значит, что часть потребляемой мощности преобразуется в тепло. Современные светодиоды обладают КПД порядка 30…40%, то есть в среднем 60…70% потребляемой мощности преобразуется в тепло. К примеру, при использовании 20 ваттной светодиодной матрицы необходимо рассеивать 12 Вт тепла, а это довольно много. Компания CREE в документе «XLampThermalManagement» рекомендует пользоваться допущением, что в тепло преобразуется 75% потребляемой мощности, данное предположение позволяет перестраховаться при разработке теплоотвода. Мощность, которую требуется рассеивать, можно рассчитать по формуле:

(1)

где:

Pt — тепловая мощность (Вт);

Vf — прямое падение напряжения на светодиоде (В);

If — ток через светодиод (А).

Перед описанием методики расчета системы охлаждения скажем несколько слов о теории теплопередачи.

Основной вклад в охлаждение светодиодных светильников вносят теплопроводность и конвекция.

Теплопроводность — это процесс передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому. В светильниках за счет прямого контакта тепло передается от светодиода в печатную плату, а затем — в радиатор, либо, если светодиод установлен непосредственно на радиатор, то сразу в радиатор. Для расчета количества тепла, переданного за счет теплопроводности, можно воспользоваться формулой:

(2)

где:

Qcond — количество тепла, переданного через материал (Вт);

k — коэффициент теплопроводности материала (Вт/(м*К));

A — площадь пересечения материалов, через которую проходит тепло (м2);

DT — градиент температуры (К);

Dx — расстояние, которое проходит тепло (м).

Конвекция — это передача за счет движения потоков жидкостей или газов. Обычно в светодиодных светильниках это передача тепла от радиатора в окружающую среду (как правило, воздух). Существует два варианта конвекции: естественная и принудительная. При естественной конвекции тепло передается за счет уже существующих потоков воздуха, вызванных перепадом температур. В принудительной конвекции движение потоков жидкости или газов создается за счет дополнительных устройств, таких как вентилятор, насос и т.п.

Количество тепла, рассеянного при помощи конвекции, можно рассчитать по формуле:

(3)

где:

Qconv — количество тепла, рассеянного при помощи конвекции (Вт);

h — коэффициент теплопередачи (Вт/(м2*К));

A — площадь поверхности излучающего элемента (м2);

DT — разница между температурой излучающего элемента и температурой окружающей среды (К).

Основная проблема в подсчете количества тепла, рассеянного при помощи конвекции — это определение коэффициента h. Значение коэффициента h может значительно меняться, в зависимости от геометрии радиатора, граничных условий и прочих параметров. К примеру, при естественной конвекции коэффициент h находится в пределах 5…20 Вт/(м2*К). А для систем с принудительной конвекцией коэффициент теплопередачи может достигать значений 100 Вт/(м2*К) при воздушном охлаждении, и вплоть до 1000 Вт/(м2*К) — при жидкостном. В светодиодном освещении обычно используется естественное воздушное охлаждение, для расчетов таких систем значение коэффициента теплопередачи можно принять равным 10 Вт/(м2*К).

Систему охлаждения светодиодов можно представить в виде эквивалентной схемы последовательно и параллельно подключенных тепловых сопротивлений. В качестве примера для составления эквивалентной цепи возьмем матрицу из n светодиодов, установленных на печатной плате, прикрепленной к радиатору (рисунок 3).

Эквивалентная схема тепловых сопротивлений

 

Рис. 3. Эквивалентная схема тепловых сопротивлений

В данном случае эквивалентная схема будет состоять из n тепловых сопротивлений «переход светодиода — контакт» (на схеме обозначены как Qj-sp), соединенных параллельно. Затем — из n тепловых сопротивлений «контакт — печатная плата» (Qsp-pcb). Также необходимо учесть тепловые сопротивления между печатной платой и теплопроводящим материалом (Qpcb-tim), между теплопроводящим материалом и радиатором (Qtim-hs) и, наконец, между радиатором и окружающей средой (Qhs-a).

В узлах этой эквивалентной схемы можно измерить температуру, к примеру, в точке Theatsink можно измерить температуру радиатора.

В случае, если в осветительном устройстве используется всего один светодиод, эквивалентная схема будет представлять собой цепочку тепловых сопротивлений, соединенных последовательно. В свою очередь, тепловое сопротивление всей системы охлаждения — это сумма всех тепловых сопротивлений. Для светильника из одного светодиода, установленного на печатную плату и на радиатор, тепловое сопротивление всех системы охлаждения высчитывается по следующей формуле:

Чем меньше значение полного теплового сопротивления, тем лучше тепло отводится от светодиода. Тепловое сопротивление между элементами a и b рассчитывается по формуле:

(4)

где:

Qa-b — тепловое сопротивление между элементами a и b (°С/Вт);

Ta — температура элемента a (°С);

Tb — температура элемента b (°С);

Pt — мощность, рассчитываемая по формуле 1.

Компания CREE в документации на свои светодиоды предлагает график зависимости максимального тока от температуры. Пример такого графика изображен на рисунке 4. Зная максимальный ток и предположительную температуру окружающей среды, можно рассчитать значение мощности, которую необходимо рассеивать, и, соответственно, можно получить значение максимального теплового сопротивления системы охлаждения, что позволит подобрать радиатор и теплопроводящие материалы.

 

Рис. 4. Зависимость максимального тока от температуры для светодиодов MKR

Рассмотрим более подробно, какой вклад вносят в общее тепловое сопротивление такие элементы как печатная плата, теплопроводящие материалы и радиатор.

Печатная плата. Большинство светодиодов компании CREE необходимо устанавливать на плату (для подвода цепей питания светодиода и механического монтажа). От выбора материала печатной платы и топологии в значительной степени зависит тепловое сопротивление. К примеру, для стандартных плат FR4 тепловое сопротивление может составлять 20…80°С/Вт, в то время как для плат на металлической подложке тепловое сопротивления будет составлять единицы °С/Вт. Компания CREE предлагает руководство «optimizing pcb Thermal performance» по проектированию печатных плат для светодиодов, в нем изложены рекомендации к топологии печатной платы для уменьшения теплового сопротивления. Также можно использовать светодиоды, монтируемые непосредственно на радиатор. В этом случае печатная плата не будет вносить вклад в суммарное тепловое сопротивление.

Теплопроводящие материалы необходимы для создания хорошего теплового контакта между печатной платой и радиатором или между светодиодом и радиатором. Помимо создания надежного теплового контакта, некоторые теплопроводящие материалы, в зависимости от дизайна охлаждающей системы, могут выполнять и другие функции, такие как изоляция электрических узлов схемы или создание механического крепления. Ниже в таблице 2 представлены характеристики основных теплопроводящих материалов.

Таблица 2. Характеристики теплопроводящих материалов

Теплопроводящий материал Преимущества Недостатки
Термопасты Высокое значение объемной теплопроводности, маленькая величина клеевого слоя, низкая вязкость, не затвердевают Считаются довольно грязным при произвостве
Материалы с изменением фазы Высокая вязкость дает более высокую надежность по сравнению с термопастами, гораздо удобнее в использовании, нет расслоения Более низкая теплопроводность, по сравнению с термопастами, поверхностное сопротивление может быть больше, чем у термопаст, необходимо приложение давления для повышения эффективности
Гели Хорошо заполняют неровности поверхности Более низкая теплопроводность по сравнению с термопастами, меньшее сцепление, чем у термоклеев
Термоклеи Хорошо заполняют неровности поверхности Необходим процесс очистки

При выборе теплопроводящего материала необходимо учесть многие параметры, не только величину теплопроводности. Часто упускают из виду толщину клеевого слоя материала, а как следует из формулы (5), приведенной ниже, тепловое сопротивление напрямую зависит от этого параметра. Производители теплопроводящих материалов предоставляют информацию об основных параметрах в документации, и для верного выбора теплопроводящего материала очень важно понимать влияние каждого из этих параметров на работу системы охлаждения. Иногда более тонкий клеевой слой с плохим значением теплопроводности имеет более низкое тепловое сопротивление по сравнению с более толстым слоем, но с лучшим значением теплопроводности. Оба этих условия необходимо учитывать при выборе материалов. Тепловое сопротивление теплопроводящего материала описывается формулой:

(5)

где:

Qtim — тепловое сопротивление теплопроводящего материала (°С/Вт);

L — толщина слоя (м);

K — теплопроводность (Вт/м*К);

A — площадь контакта (м2).

Радиатор — это, пожалуй, самый важный элемент в системе охлаждения светодиода; он отводит тепло от печатной платы или напрямую от светодиода, и рассеивает тепло в воздухе. К радиатору предъявляются следующие требования: материал радиатора должен быть с высоким значением теплопроводности, площадь поверхности радиатора должна быть максимальной. Помимо охлаждения, радиатор может выполнять и другие функции, наиболее часто он может выступать в роли корпуса либо держателя. В таблице 3 указаны теплопроводности некоторых материалов. Причем радиаторы из одного и того же материала, но сделанные при различных способах обработки поверхности, могут обладать разными коэффициентами теплопроводности. К примеру, радиатор из анодированного алюминия за счет излучения обладает большим коэффициентом теплопроводности, чем обычный алюминиевый радиатор.

Таблица 3. Теплопроводность некоторых материалов

Материал Теплопроводность, Вт/(м*K)
Воздух 0,024
Алюминий 120…240
Керамика 15…40; 100…200
Проводящие полимеры 3…20
Медь 401
Нержавеющая сталь 16
Термопаста/эпоксидные смолы 0,1…10
Вода 0,58

Часто к светодиодным светильникам предъявляются довольно серьезные требования по габаритам, вследствие чего может возникнуть потребность в проектировании радиатора под конкретные требования. При проектировании радиатора требуется учесть вес конечного изделия, стоимость, тепловые параметры, возможность дальнейшего производства.

Обычно используются литые или кованые алюминиевые радиаторы. Анодированный алюминиевый радиатор обладает большим коэффициентом излучения.

Проектирование радиатора может быть довольно сложным занятием, в котором необходимо учитывать габаритные ограничения, стоимость, вес, возможность серийного производства. Ниже даны несколько рекомендаций по проектированию радиаторов:

  • площадь поверхности радиатора должна быть максимально большой;
  • в качестве грубой оценки можно взять следующее предположение: на 1Вт рассеиваемого тепла требуется радиатор площадью 32…65 см2;
  • для верного расположения радиатора, для обеспечения хорошего потока воздуха между его ребрами необходимо хорошо представлять, как, в конечном итоге, будет крепиться светодиодный светильник;
  • необходим материал с хорошей теплопроводностью;
  • используйте радиаторы с хорошим коэффициентом излучения. Анодирование резко увеличивает коэффициент излучения тепла алюминиевого радиатора;
  • используйте программы для моделирования систем охлаждения;
  • выберите метод производства радиатора. Некоторые способы производства радиаторов могут накладывать ограничения на толщину и длину ребер радиатора, используемые материалы. Наиболее распространенные методы производства: штамповка, литье, ковка. Каждый метод производства обладает своими плюсами и минусами.

Принудительное охлаждение

Скажем несколько слов об активном охлаждении, варианты которого рассмотрены в таблице 4.

Таблица 4. Виды принудительного охлаждения

Тип Рассеиваемая тепловая мощность, Вт Описание
Кулер <170 Монтируется непосредственно на радиатор. Необходимо дополнительное питание.
Тепловые трубки <140 Тепловые трубки не рассеивают тепло, они переносят его в другое место, так что радиатор все равно необходим.
Жидкостное охлаждение <200 Предназначено для отвода большого количества тепла, довольно дорогое решение, примерно в 10 раз дороже, чем тепловые трубки.
Модули Пельтье <80 Неэффективны, ограниченное охлаждение, дороговизна. Необходимо дополнительное питание.
Струйное охлаждение <80 Сравнимо с кулером, но работает более тихо и обладает высокой надежностью. Требуется специальный дизайн радиатора.
Системы охлаждения SynJet <240 Меньшие габариты по сравнению с обычными радиаторами.Тише по сравнению с кулерами. Долгий срок службы. К минусам можно отнести необходимость отдельного источника питания.

Если естественного охлаждения недостаточно для отвода тепла, то требуется использовать принудительное охлаждение. Существует множество вариантов активного охлаждения — от кулеров до водяного охлаждения. Если применение активного охлаждения неизбежно, следует учесть то, что светодиоды могут работать в течение десятков…сотен тысяч часов, поэтому следует предусмотреть наличие системы защиты светодиодов от перегрева при выходе из строя устройств активного охлаждения, иначе выход из строя устройств принудительного охлаждения практически сразу же повлечет за собой выход из строя светодиода из-за перегрева. Помимо срока службы, важными параметрами являются эффективность, надежность, низкий уровень шума, цена, удобство при обслуживании, потребляемая мощность. Зачастую устройства принудительного охлаждения требуют дополнительного питания, это приводит к снижению КПД системы в целом.

Несколько примеров расчета теплоотвода

Пример расчета теплоотвода для CXA1304. Данные светодиоды монтируются непосредственно на радиатор (рисунок 5).

 

Рис. 5. Монтаж светодиода CXA1304 на радиатор

Эквивалентная схема расчета теплового режима для данного случая состоит из теплового сопротивления «переход — контактная площадка светодиода», теплового сопротивления «контактная площадка — теплопроводящий материал», сопротивления «теплопроводящий материал — радиатор» и, наконец, из теплового сопротивления «радиатор — воздух» (рисунок 6).

 

Рис. 6. Эквивалентная схема для светодиода CXA1304

Произведем расчет для температур окружающего воздуха 25°С и 55°С. Предположим, что светодиод работает при максимальном токе, и что температура перехода равна 85°С. Используя приложение PCT на сайте CREE (http://pct.cree.com/), получим значение Vf для температуры перехода при максимальном токе, данные занесены в таблицу 5. В качестве теплопроводящего материала будем использовать самую распространенную термопасту КПТ-8, теплопроводность примем равной 0,7 Вт/(м*°С).

Таблица 5. Данные для расчета светодиода CXA1304

Температура перехода, °С 85
If, A 0,25
Vf, В 43,7
P = Af х Vf, Вт 10,92
Pdiss = 0,75 х P, Вт 8,19
Площадь контакта светодиода, мм2 178,22

Для светодиодов серии CXA в документации не указано значение теплового сопротивления «переход — контактная площадка». Для определения параметров системы рекомендуется использовать график, из которого можно получить значение максимального теплового сопротивления между контактом светодиода и воздухом (рисунок 7).

Значение максимального теплового сопротивления между контактом светодиода и воздухом

 

Рис. 7. Значение максимального теплового сопротивления между контактом светодиода и воздухом

Из данного графика получим, что для температуры воздуха 25°С максимальное сопротивление будет составлять 6°С/Вт, а для 55°С — 2°С/Вт. Рассчитаем тепловое сопротивление теплопроводящего материала, используя формулу (5). Толщину слоя термопасты примем равной 0,1 мм. Тогда значение теплового сопротивления будет следующим: Qtim = 0,8°С/Вт.

Следовательно, для случая 25°С значение теплового сопротивления радиатора должно быть меньше 5,2°С/Вт, для 55°С — меньше либо равно 1,2°С/Вт. Для примера будем использовать радиаторы компании MechaTronix (http://www.led-heatsink.com/). Для 55°С в качестве радиатора подойдет LPF11180-ZHE (рисунок 8). Тепловое сопротивление данного радиатора — 1,07°С/Вт. Для случая с температурой в 25°С выбор радиаторов более широк.

 

Рис. 8. Радиатор LPF11180-ZHE производства компании MechaTronix

Теперь рассмотрим расчет системы охлаждения для светодиодов MK-R2 и CXA3070 (также для двух вариантов температур). Данные для расчетов занесены в таблицу 6.

Таблица 6. Расчет системы охлаждения для светодиодов MK-R2 и CXA3070 для двух вариантов температур

Параметр Наименование
MK-R2 CXA3070
Максимальный ток, А 0,42 0,7
Прямое падение напряжения, В 37,86 34,28
Температура перехода, °С 85 85
Площадь контактной поверхности, мм2 29,5 748
Рассеиваемая мощность, Вт 11,93 18
Тепловое сопротивление Tj-sp, °С/Вт 1,7
Полное тепловое сопротивление, °С/Вт для 25°С 5 4,5
для 55°С 4,6 3
Тепловое сопротивление теплопроводящего материала, °С/Вт 0,8 0,2
Тепловое сопротивление печатной платы, °С/Вт 3
Тепловое сопротивление радиатора, °С/Вт для 25°С 1,2 4,3
для 55°С 0,8 2,8

Для светодиода MK-R2 в случае, если температура окружающей среды будет 55°С, температура перехода будет выше, чем 85°С. В таблице 6 указаны данные, когда температура перехода светодиода будет составлять 110°С. Также, в силу того, что светодиод MK-R2 сначала монтируется на печатную плату, а затем уже на радиатор, в эквивалентной схеме появляется еще одно тепловое сопротивление. В таблице 6 указано тепловое сопротивление для платы с металлическим основанием. В последней строчке указано, каким тепловым сопротивлением должен обладать радиатор. Для охлаждения этих светодиодов подойдет радиатор SpotLight Led HeatSink 34W компании Nuventix (nuventix.com).

Для данных светодиодов CXA3070 предложим несколько вариантов охлаждения и сравним их характеристики. Для охлаждения этих светодиодов возьмем обычный радиатор, радиатор с кулером и систему охлаждения SynJet производства компании Nuventix.

Вариант с пассивным охлаждением является наиболее простым, так как не требует дополнительных источников питания, но для отвода значительного тепла может потребоваться достаточно большой радиатор, а это ведет к увеличению стоимости и делает осветительный прибор довольно массивным и крупным. Поэтому пассивное охлаждение лучше всего применять для маломощных систем освещения. Для охлаждения же светодиода CXA3070 подойдет радиатор LSB99. Данный радиатор обладает следующими габаритами: диаметр 100 мм высота 50 мм, вес радиатора 470 г, что значительно тяжелее по сравнению с активным охлаждением.

Для активного охлаждения с кулером используем сборку радиатора и кулера LA003-005. Для питания кулера потребуется дополнительный источник питания на 12 В мощностью 0,3 Вт, габариты системы охлаждения составят 86 мм в диаметре и 52 мм в высоту, вес в пределах 300 г. Наличие кулера создает дополнительный шум, заявленное время работы кулера при температуре 60°С — около 70 тысяч часов.

Для охлаждения системой SynJet потребуется модуль SynJet Par20 Cooler 24. Максимально возможная мощность рассеивания составляет 24 Вт. Габариты всего светильника в сборе будут лежать в пределах 45 мм в высоту и 65,5 мм в диаметре при весе в 140 г. Но для принудительного охлаждения потребуется дополнительный источник питания на 12 или 5 В, мощностью 1 Вт, из-за этого в целом энергоэффективность системы немного снижается. Заявленное время работы такой принудительной системы охлаждения — порядка 100 000 часов.

Надежность и долговечность работы светодиодных устройств напрямую зависит от качества проектирования системы охлаждения, вот почему так важно уделить особое внимание проектированию надежного теплоотвода. Для охлаждения маломощных светодиодных систем будет вполне достаточно обычного радиатора, для отвода тепла от мощных светильников в некоторых случаях может потребоваться активное охлаждение. Также при разработке новых осветительных устройств настоятельно рекомендуется проводить расчеты и моделирование системы охлаждения. На сайте компании CREE предоставляется множество методик расчетов теплоотвода и полезных приложений для правильного подбора охлаждающих элементов.

 

Литература

 

1. http://www.led-e.ru/articles/svetodiod/2011_2_12.php

2. www.cree.com/xlamp_app_notes/CXA_SH

3. http://www.nuventix.com/

4. http://www.led-heatsink.com/

5. XLamp Thermal Management

6. Optimizing PCB Thermal Performance.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: lighting.vesti@compel.ru

 

 

Наши информационные каналы