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光源在该方向的发光强度。它即是描述了光源到底有多亮，发光强度越大，光源越亮.一般LED用单位是mcd。1000ucd（微坎德拉）=1 mcd（毫坎德 拉）, 1000mcd=1 cd。室内用单只LED的光强一般为500ucd-50 mcd，而户外用单只LED的光强一般应为100 mcd-1000 mcd，甚至1000 mcd以上。 4.1.7 LED光通量

单位流明，即lm。光源在单位时间内发射出的光量称为光源的发光通量。光源的光通量越大，则发出的光线越多。现在对常用白光LED流明例举出来如下：0.06W，3-5lm；0.2W，13-15lm；1W，60-80lm。 4.1.8 LED的使用寿命

LED一般都是可以使用50,000小时以上，LED之所以持久，是因为它不会产生灯丝熔断问题。有预测表明，高质量LED在经过50,000小时的持续运作后，还能维持初始灯光亮度的60%以上。

4.2 LED的热学指标

4.2.1 热阻Rth

在LED点亮后达到热量传导稳态时，芯片表面每耗散1W的功率，芯片pn结点的温度与连接的支架或铝基板的温度之间的温差就称为热阻Rth，单位为℃/W。数值越低，表示芯片中的热量传导到支架或铝基板上就越快。这有利于降低芯片中的pn结的温度，从而延长LED的寿命。

热阻是沿热流通道上的温度差与通道上耗散的功率之比，对于LED来说，热阻一般是指从LED芯片pn结到翅片上的热阻。

对于单个LED，设定PN结点生成的热沿着：结点—翅片—铝基散热电路板—空气，这个热路径传导。采用等效电路的热阻计算，PN结点到环境的总热阻:

Rja=Rjs+Rsb+Rba

其中，Rjs，Rsb，Rba分别是从结点到翅片，翅片到散热电路板，散热电路板到空气的热阻。

影响热阻的大小与以下因素有关：

（1）与LED芯片本身的结构与材料有关。

（2）与LED芯片粘结所用的材料的导热性能及粘结时的质量有关，是用导热性能很好的胶，还是用绝缘导热的胶，还是用金属直接连接。

（3）翅片是用导热很好的铜，或者铝，而且与铜、铝的散热面积大小也有直接的关系。

总之选用一定的材料与控制相关的技术细节，就可以降低LED的热阻，从而提高LED的寿命与工作效能。

4.2.2 LED的结温

LED的基本结构是一个半导体的P—N结。实验指出，当电流流过LED元件时，P—N结的温度将上升，严格意义上说，就把P—N结区的温度定义为LED的结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。

结温Tj是衡量LED封装散热性能的一个重要指标。结温的表达式为:

Tj=Rja×Pd+Ta

其中，Pd为耗散的功率，Rja为LED器件PN结与环境温度的总热阻，Tj，Ta分别为LED器件PN结的结点温度和器件周围的环境温度。式中表明，同样大小的功率下，芯片结温升温越小，LED器件的性能越好。

在LED工作时，可存在以下情况促使结温不同程度的上升：

A、元件不良的电极结构，视窗层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值，这些电阻相互垒加，构成LED元件的串联电阻。当电流流过P—N结时，同时也会流过这些电阻，从而产生焦耳热，引致芯片温度或结温的升高。

B、由于P—N结不可能极端完美，元件的注入效率不会达到100％，也即是说，在LED工作时除P区向N区注入电荷(空穴)外，N区也会向P区注人电荷(电子)，一般情况下，后一类的电荷注人不会产生光电效应，而以发热的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入电荷，也不会全部变成光，有一部分与结区的杂质或缺陷相结合，最终也会变成热。

C、实践证明，出光效率的限制是导致LED结温升高的主要原因。目前，先进的材料生长与元件制造工艺已能使LED极大多数输入电能转换成光辐射能，然而由于LED芯片材料与周围介质相比，具有大得多的折射系数，致使芯片内部产生的极大部分光子(>90％)无法顺利地溢出介面，而在芯片与介质介面产生全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。

D、LED元件的热散失能力是决定结温高低的又一个关键条件。散热能力强时，结温下降，反之，散热能力差时结温将上升。由于环氧胶是低热导材料，因此P—N结处产生的热量很难通过透明环氧向上散发到环境中去，大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层，PCB与热沉向下发散。相关材料的导热能力将直接影响元件的热散失效率。一个普通型的LED，从P—N结区到环境温度的总热阻在300到600℃／W之间，对于一个具有良好结构的功率型LED元件，其总热阻约为15到30℃ ／W。巨大的热阻差异表明普通型LED元件只能在很小的输入功率条件下，才能正常地工作，而功率型元件的耗散功率可大到瓦级甚至更高。

降低LED结温的途径： A、减少LED本身的热阻； B、良好的二次散热机构；

C、减少LED与二次散热机构安装介面之间的热阻； D、控制额定输入功率； E、降低环境温度。

4.3 LED正常工作条件或状态

LED是一种电流驱动的低电压单向导电器件，为保证LED正常工作，必须满足以下几个方面的基本要求。

（1）输入直流电压必须不低于LED的正向电压降，否则，LED不会导通而发光。LED的正向电压降与光色有关，一般红光、绿光、黄光的正向电压降通常为4-2.6V，白光LED的正向电压降通常为3-4.2V

（2）采用直流电流或单向脉冲电流驱动，当驱动并联的LED或LED串时，要求恒流而不是恒压供电。

（3）为防止LED损坏，应对流过LED 的电流加以限制。目前实现LED电流限制的方法主要有3种，分别为电阻器、有源线性控制、开关稳压器控制，每种方法都有优点和缺点。

（4）由于LED电流与其光能量之间的非线性关系，LED应在光效比较高的电流值下工作。

（5）大功率LED最好加设散热器，以防止器件过热而损坏。

（6）LED的电流不能超过LED的IF电流，过流的工作会使LED寿命很快下降，如果超出了就会把LED烧坏。

（7）环境温度-20℃~+40℃(要求灯具的散热设计做得比较好，LED灯引脚的温度不能超过60度)；

通常情况下，LED的储存环境温度应在-40℃到+100℃。LED的工作温度是-30℃到+80℃，但工作温度与热阻有关系。总而言之，LED在工作时，最好将它的pn结温度保持在100℃以下。

第五章 大功率LED散热分析

5.1 大功率LED照明热设计流程

LED热设计 芯片内部热设计 封装热设计 使用热设计 生产工艺阶段确定 是 计算热阻和结温 输出结果 是否满足散热要求 否 设计散热方案 否 是否满足散热要求 是

优化方案 是 是否需要优化设计 否 输出结果 表5-1 大功率LED照明设计流程

5.2 大功率LED照明热设计方案

LED 是绿色光源，没有热辐射，所以，散热方式主要是传导和对流和辐射。 本文设计的是由50个LED组成的大功率LED照明器，总功率为50W的LED灯具的散热设计，设环境温度为30℃。根据3.1所述的理论，LED最终大概有50%-60%输入电能转化为光能，其余40%-50%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。

所以，50W的大功率，转化为光能为50W×60%=30W，LED真正转化为热量