Derzeit gibt es drei Arten von Leiterplatten, die zur Wärmeableitung mit Hochleistungs-LEDs verwendet werden: gewöhnliche doppelseitig kupferbeschichtete Leiterplatten (FR4), empfindliche Kupferplatten auf Aluminiumlegierungsbasis (MCPCB) und flexible Folienleiterplatten mit Klebstoff auf Aluminiumlegierungsplatten.
Die Wärmeableitung hängt von der Kupferschicht, der Dicke der Metallschicht und der Wärmeleitfähigkeit des Isoliermediums ab. In der Regel werden MCPCBs mit einer 35 µm dicken Kupferschicht und einer 1,5 mm dicken Aluminiumlegierung verwendet. Flexible Leiterplatten werden auf eine Aluminiumlegierungsplatte geklebt. MCPCBs mit hoher Wärmeleitfähigkeit bieten zwar die beste Wärmeleistung, sind aber auch teurer.
Hier werden einige Daten aus dem Beispiel „TEMPERATURMESSER“ der Firma NICHIA als Berechnungsbeispiele verwendet. Die Bedingungen sind wie folgt: LED: 3 W weiße LED, Modell MCCW022, RJC = 16 °C/W. Messkopf des Thermoelement-Punktthermometers Typ K mit Kühlkörper verschweißt.
PCB-Testplatine: doppellagige kupferbeschichtete Platine (40×40mm), t=1,6mm, Kupferschichtfläche der Schweißfläche 1180mm2, Kupferschichtfläche der Rückseite 1600mm2.
LED-Arbeitsstatus: IF-500 mA, VF = 3,97 V
TC = 71 °C wurde mit einem Thermoelement-Punktthermometer Typ K gemessen. Die Umgebungstemperatur TA = 25 °C
1. TJ wird berechnet
TJ = RJC x PD + TC = RJC (IF x VF) + TC
TJ = 16 °C/W (500 mA × 3,97 V)
+71℃=103℃
2.RBA wird berechnet
RBA = (TC – TA)/PD
=(71℃-25℃)/1,99W
=23,1℃/W
3. RJA wird berechnet
RJA = RJC + RBA
=16 °C/W + 23,1 °C W
=39,1℃W
Wenn der geplante TJmax -90 °C beträgt, kann der unter den oben genannten Bedingungen berechnete TJ die Designanforderungen nicht erfüllen. Es ist notwendig, die Leiterplatte mit besserer Wärmeableitung auszutauschen oder ihre Wärmeableitungsfläche zu vergrößern und erneut zu testen und zu berechnen, bis TJ ≤ TJmax ist.
Eine andere Methode besteht darin, dass, wenn der UC-Wert der LED zu groß ist, VF = 3,65 V, wenn RJC = 9 °C/WIF = 500 mA ersetzt wird, andere Bedingungen unverändert bleiben, T) wie folgt berechnet werden kann:
TJ = 9 ℃ / W + 71 ℃ (500 ma * 3,65 V) = 87,4 ℃
Bei der Berechnung von 71 °C liegt ein Fehler vor. Eine neue 9-W-LED sollte geschweißt werden, um den TC erneut zu testen (der gemessene Wert liegt etwas unter 71 °C). Das spielt keine Rolle. Nach der Verwendung einer 9-W-LED müssen weder das PCB-Material noch die Leiterplattenfläche geändert werden, was den Designanforderungen entspricht.
Kühlkörper auf der Rückseite der Leiterplatte
Wenn der berechnete TJmax deutlich über den Konstruktionsanforderungen liegt und die Struktur keine zusätzliche Fläche zulässt, kann die Leiterplatte entweder wieder auf das U-förmige Aluminiumprofil (oder eine Aluminiumplatte) geklebt oder auf den Kühlkörper geklebt werden. Diese beiden Methoden werden häufig bei der Konstruktion mehrerer Hochleistungs-LED-Lampen verwendet. Im obigen Berechnungsbeispiel wird beispielsweise ein Kühlkörper mit 10 °C/W und TJ = 103 °C auf die Rückseite der Leiterplatte geklebt, wodurch die TJ auf etwa 80 °C sinkt.
Es ist zu beachten, dass der obige TC bei Raumtemperatur (in der Regel 15–30 °C) gemessen wird. Liegt die Umgebungstemperatur der LED-Lampe TA über der Raumtemperatur, ist der tatsächliche TJ höher als der berechnete TJ bei Raumtemperatur. Dieser Faktor sollte daher bei der Konstruktion berücksichtigt werden. Wird der Test im Thermostat durchgeführt, ist es am besten, die Temperatur während des Betriebs auf die höchste Umgebungstemperatur einzustellen.
Unabhängig davon, ob die Leiterplatte horizontal oder vertikal installiert ist, unterscheiden sich die Wärmeableitungsbedingungen, was sich auf die TC-Messung auswirkt. Auch Gehäusematerial, Größe und Wärmeableitungsöffnung der Lampe wirken sich auf die Wärmeableitung aus. Daher sollte bei der Konstruktion ein gewisser Spielraum bestehen.
Veröffentlichungszeit: 23. März 2022
