操作高于制造商建議的最高溫度的LED會降低設(shè)備的效率和光輸出，并可能導(dǎo)致過早失效。 LED的熱點(diǎn)定義為形成二極管的p型和n型半導(dǎo)體之間的結(jié)。本文使用示例照明應(yīng)用程序來說明如何計算LED的結(jié)溫并確定它是否可能超過指定的上限。

計算LED結(jié)溫

LED通過重新組合LED結(jié)點(diǎn)處或附近的電荷載流子（電子和空穴）將電能轉(zhuǎn)換為光（圖1）。不幸的是，即使LED相對有效，所消耗的電能的大約65％至75％仍然產(chǎn)生熱量而不是光，從而提高了芯片的溫度。

圖1：電荷載體在LED的連接處結(jié)合，產(chǎn)生一些光和大量的熱量。但是，高亮度LED有多熱？讓我們看看如何使用簡單的計算確定結(jié)溫。

給定功率輸入達(dá)到的最高結(jié)溫（T j ）取決于三個因素：環(huán)境溫度，LED結(jié)與其周圍環(huán)境之間的熱阻以及芯片消耗的功率。1

為了便于計算，我們假設(shè)環(huán)境溫度（T a ）為23攝氏度（°C）。 （請注意，全面的設(shè)計計算應(yīng)考慮LED在正常工作中將遇到的最高環(huán)境溫度的最壞情況。）較低的環(huán)境溫度會降低結(jié)溫并延長LED的使用壽命。這使得LED照明成為某些應(yīng)用的理想選擇，例如冷藏食品展示柜。

熱阻（R th ）定義為每單位功耗（°C/W）的元件溫度升高。它是導(dǎo)熱系數(shù)的倒數(shù)。金屬通常具有低熱阻并且形成有效的散熱器，而空氣，塑料和木材是不良的熱導(dǎo)體并且制造有效的絕緣體。

LED照明組件的簡化模型可以是兩個串聯(lián)元件，總熱阻是每個元件的總和。第一個元件是從封裝（j）到支撐襯底上的焊點(diǎn)（sp）的LED封裝（R th j-sp ）。第二個元素是焊點(diǎn)和發(fā)光組件外部之間的熱阻的組合（即環(huán)境（a））（R th sp-a ）。圖2顯示了這種安排的示意圖。

圖2：簡單LED照明組件的熱阻模型。 （禮貌：Cree）

LED結(jié)與環(huán)境之間的熱阻（R th ja ）是這些電阻的總和：

電源LED消耗（P d ）通過將LED的正向電壓（V f ）乘以其正向電流（I f ）來確定。

我們現(xiàn)在可以編寫任何給定LED的結(jié)溫公式：

一個示例計算

LED結(jié)點(diǎn)有多熱？讓我們將一些典型的值放入我們的等式中并找出答案。

首先，假設(shè)驅(qū)動器電路遠(yuǎn)離LED，因此其熱量輸出不會影響芯片。 （這是LED制造商推薦的最佳做法。）第二，讓我們使用Cree XM-L Easy White LED作為光源的基礎(chǔ)。根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊，正向電流為350 mA，典型正向電壓為5.6 V.結(jié)點(diǎn)到焊點(diǎn)的熱阻（R th j-sp ）在數(shù)據(jù)手冊中給出為2.5°C/W.

第三，我們需要記住，照明燈具包括幾個靠近的LED，以產(chǎn)生足夠的光輸出。通常，六到十個器件組合形成實(shí)際上是“大芯片”的器件，雖然具有多個結(jié)，但消耗的功率是單個器件的幾倍。例如，我們將考慮一個帶有六個LED的照明裝置，總功耗為11.76 W.此外，由于構(gòu)成照明裝置的設(shè)備連接到一個焊點(diǎn)，它們的熱阻作用于平行。因此，該示例中的LED組的總熱阻為R th j-sp /6。然后總熱阻變?yōu)椋?/p>

R th sp-a 的值取決于許多因素，例如焊盤的平整度和表面光潔度其中LED連接到基板，基板本身以及組件外殼的特性。對于使用標(biāo)準(zhǔn)電子和工業(yè)材料的照明組件，并且無視任何熱管理技術(shù)，R th sp-a 通常在15至25°C/W的范圍內(nèi)。對于我們的例子，讓我們采用20°C/W的中間值。

使用這些值，結(jié)溫的計算變?yōu)椋?/p>

Cree指定XM-L Easy White LED的最高結(jié)溫為150°C。因此，LED將在此配置中過熱，應(yīng)考慮其他配置。

降低結(jié)溫

大功率LED制造商，如歐司朗，建議在焊點(diǎn)和環(huán)境溫度之間使用散熱片，以降低結(jié)溫。圖3顯示了一個帶有集成散熱器的LED照明燈具。

圖3：歐司朗的這款LED燈組件包括一個集成的散熱器。 （禮貌：歐司朗）

通過重新排列上面的公式（1），我們可以計算焊點(diǎn)到環(huán)境熱阻（R th sp-a ）的大小，使得結(jié)溫是保持在制造商規(guī)定的最高溫度。

使用散熱片將組件的熱阻降低約10.5°C/W，使照明組件的總熱阻為10.8°C/W，使配置有六個LED可在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。即使是最基本的散熱器也能夠應(yīng)對這種配置。更復(fù)雜的設(shè)備可以使LED保持更冷，延長其使用壽命并使設(shè)備在更高的環(huán)境溫度下運(yùn)行。