Заметки по управлению температурным режимом светодиодов и светодиодных модулей

Проектирование светодиодных модулей можно условно разделить на три части:
1. светотехника (подбор линз и светодиодов),
2. схемотехника (проектирование печатной платы и выбор источника питания),
3. управление температурой (выбор материала печатной платы, термоинтерфейса и радиатора).

Разработка ведется параллельно по всем направлениям, поскольку некоторые вопросы пересекаются. Давайте подробно рассмотрим тепловые характеристики печатных плат для светодиодных применений. В качестве материала в подавляющем большинстве случаев используются ламинаты на основе алюминия с медной фольгой (ACCL). Ключевым параметром ламината является теплопроводность. Теплопроводность используется для расчета теплового сопротивления MCPCB.

Рассмотрим основы терморегулирования. Аналитическая модель управления температурным режимом светодиодов стоит на трех китах: коэффициент теплопроводности, тепловое сопротивление, термическое сопротивление теплопередачи, таблица 1 [1, 2].

Таблица 1 – Основы управления температурным режимом

Основы управления температурным режимом светодиодного модуля — λ – коэффициент теплопроводности; Z – термическое сопротивление теплопередачи; R – тепловое сопротивление; Q – тепловой поток; h – толщина; A– площадь; ΔT – разница температур; D – коэффициент температуропроводности; c_p – удельная теплоемкость; ρ – плотность.

Необходимо учитывать распространения теплоты в модели, чтобы получить более точные результаты. Для быстрого и простого анализа распределения теплоты инженер может прибегнуть к эмпирическим правилам, например, принять угол распределения равным 45° [3] или воспользоваться другими формулам, например, основанным на соотношении теплопроводностей слоев [4], рис. 1.

Распределение теплоты в системе светодиодный модуль-радиатор — Рисунок 1. Распространение теплоты в системе светодиодный модуль-радиатор.

Аналитическая тепловая модель дает приблизительные результаты, которые определяют направление проектирования светодиодного модуля и конструкции светильника в целом. Эти результаты должны подтверждаться компьютерным моделированием МКЭ и/или тепловыми испытаниями прототипа.

Важной задачей является оценка требуемой теплопроводности печатных плат на металлическом основании (MCPCB) и теплового сопротивления радиатора. Казалось бы, простая задача, но по этому поводу среди инженеров идут жаркие споры. И не только светодиоды нуждаются в охлаждении, рис. 2.

Коэффициент теплопровоности MCPCB — Рисунок 2. Коэффициент теплопроводность материала MCPCB

Кубик льда решает проблему, но мы рекомендуем использовать онлайн калькулятор PREMALSYS для предварительного теплового анализа системы СД-радиатор.

Команда PREMALSYS

ИСТОЧНИКИ
[1] LEDiL STRADA-IP-2X6-T2-B. Product datasheet. (Available for download at: http://www.dkthermal.co.uk/wp-content/uploads/2016/04/DK-Thermal-White-Paper-3.pdf)
[2] Clemens J.M. Lasance , «Basics of (PCB) thermal management for LED applications» (Available for download at: https://www.researchgate.net/publication/260349109_Basics_of_PCB_Thermal_Management
_for_LED_Applications_Basics_of_PCB_thermal_management_for_LED_applications)
[3] «Effective Heat Spreading Angle», Electronics Cooling, No. 2, September 2015.
[4] Ceramic Interconnect Technology Handbook. Fred D. Barlow, IIIAicha Elshabini / CRC Press