Тепловой менеджмент при конструировании ПСП

Поиск теплового решения конструкции светового прибора
начинается с исходных данных: внешних условий эксплуатации, допустимого теплового режима работы светодиодов, а
иногда и источника питания. На втором этапе инженер определяет параметры конструкции в части, отвечающей за отвод тепла от его источников (светодиодов). Расчет можно выполнить
разными путями: используя подход тепловых сопротивлений и
формулы приближенного расчета радиатора, с помощью специального программного обеспечения и комбинируя эти подходы. В некоторых случаях опытный инженер может приступить
к изготовлению макета ПСП, практически не проводя предварительных расчетов. Результаты любых тепловых расчетов
требуют обязательной проверки путем замеров температуры.
Измерения позволяют убедиться, что принятое тепловое решение, с одной стороны, обеспечивает охлаждение перехода светодиодного чипа до требуемой температуры, а с другой — что
решение не является избыточным, что важно с экономической
точки зрения. Основными исходными данными при решении
задач теплового менеджмента являются температура светодиода, а точнее — p-n-перехода (активной области) светодиодного
кристалла, и температура окружающей среды. Известно, что
температура перехода, а также сила тока влияют на срок службы
светодиода. Такие зависимости указывают для своих светодиодов уже многие производители. На рис. 1 показан пример такой
зависимости для светодиода XLamp XR-E производства компании Cree.

Рис. 1. Прогноз срока службы белого светодиода XLamp XR-E
в зависимости от температуры перехода и прямого тока
при температуре воздуха вблизи светодиода 65°C

Если известно значение тока, при котором будет эксплуатироваться светодиод (например, 700 мА), а также желаемый ресурс
(например, 50 тыс. часов), то из графика становится понятно, что
в таком случае температура перехода должна поддерживаться не
выше 110 °C. От этой «точки» мы и начнем расчет тепловых параметров конструкции. Перед началом расчета рассмотрим модель
светового прибора с точки зрения распространения тепла. В такой модели участвуют сам светодиод, печатная плата и радиатор.

Самым простым описанием модели и расчета тепловых характеристик является метод тепловых сопротивлений. Под термином
«тепловое сопротивление» понимается разность температур, возникающая между двумя точками при протекании теплового потока в 1 Вт от одной точки к другой. При этом тепловая модель
строится аналогично электрической цепи, где падение напряжения соответствует разности температур, сила тока — тепловому
потоку, а электрическое сопротивление — тепловому. Связь между тепловыми величинами определяется аналогично закону Ома.
На рис. 2 показан один из самых простых случаев построения
эквивалентной схемы. Мы видим три участка, каждый из которых характеризуется своим тепловым сопротивлением, и четыре
«точки», разделенные этими тепловыми сопротивлениями. Первое — Rjs — тепловое сопротивление между переходом светодиода и местом пайки. Это, по сути, и есть тепловое сопротивление самого светодиода, значение именно этой величины обычно
приводится в спецификациях (datasheets) на светодиоды.

Рис. 2. Эквивалентная схема тепловых сопротивлений на примере
светодиода (Rth JS — тепловое сопротивление между переходом
и паянным соединением; Rth SB — между паянным соединением
и платой; Rth BA — между платой и воздухом)

Предположим, что в нашем случае тепловое сопротивление
светодиода составляет 10 К/Вт. Для того чтобы рассчитать разность температур между переходом и местом пайки, нам потребуется значение тепловой мощности, выделяемой светодиодом. Как
правило, ее принимают равной полной потребляемой мощности,
то есть P = U×I. При токе 700 мА и прямом напряжении 3,5 В (значение, которое мы найдем в спецификации светодиода) мощность
составит 2,5 Вт, а разность температур — 25 К. Здесь сразу стоит
отметить, что в случае светодиода, в основе конструкции которого
лежит алюмооксидная керамика, тепловое сопротивление заметно
увеличивается с ростом температуры (т. е. ухудшаются теплопроводные свойства). Тепловое сопротивление обычно указывается
для номинальной температуры 25 °C, а при 100 °C оно увеличится
примерно на 20% и составит, например, 12 вместо 10 К/Вт (у светодиодов на керамической основе наиболее существенный вклад
в тепловое сопротивление вносит именно керамика). Поэтому
в нашем случае разность температур следует оценивать значением 30 °С, а не 25 °C. Следующий шаг — расчет теплового сопротивления платы. Мы будем рассматривать плату с металлической
основой (MCPCB). В качестве основы в таких платах обычно используются алюминиевые сплавы. Металлизация выполняется
стандартной медной фольгой, а для изготовления диэлектрического слоя между основанием и фольгой используется материал
с улучшенными теплопроводящими свойствами. Толщина этого
материала обычно составляет от 50 до 200 мкм, теплопроводность —
от 1 до 3 Вт/м·К. Тепло от светодиода проходит через интерфейс
(припой) к медной металлизации. Из-за того, что она обычно
имеет небольшую толщину (35 мкм), тепло по металлизации
вдоль платы растекается слабо и проходит ниже через диэлектрический слой к алюминиевой основе. По диэлектрику тепло не
растекается из-за низкой теплопроводности. Растекание тепла от
места установки светодиода благодаря высокой теплопроводности (около 150 В/м·К) обеспечивает алюминий. Исходя их этих
предпосылок, будем считать, что площадь, через которую будет
проходить тепло от светодиода до алюминиевой основы, практически равна площади контакта его основания с платой. Пусть
в нашем примере площадь контакта будет составлять 10 мм2. Тогда тепловое сопротивление платы составит 5 К/Вт.

Разность температур между местом пайки и алюминиевой
основой при таком тепловом сопротивлении составит около 12 К.
Итак, мы уже знаем, что для обеспечения температуры кристалла не выше 110 °C температура алюминиевой основы платы
не должна превышать 110–30–12 = 68 °C. Допустим, что тепло
от платы будет отводиться через теплоотвод светильника (радиатор) на воздух. Для этого нам потребуется подобрать такой
теплоотвод, который обеспечит температуру на плате не выше
68 °C при допустимой температуре окружающей среды. Как правило, температура радиатора практически равна температуре
установленной на нем металлической платы и может отличаться
по поверхности примерно на 2–5 °C, поэтому примем температуру радиатора равной 65 °С. В случае внутреннего применения
ПСП в офисных помещениях мы рекомендуем ориентироваться на температуру среды 30–35 °С (из-за того, что тепло может
«скапливаться» над подвесными потолками), в промышленных
помещениях температура может быть еще выше. А вот с уличным освещением все не так однозначно. С одной стороны, на
улице почти всегда есть легкий ветер. Даже небольшие дуновения могут снизить температуру корпуса, например, с 80 до 70 °C.

При этом среднегодовая температура в зоне умеренного климата составляет 10–15 °C [см. ГОСТ 15150-69]. С другой стороны,
надо учитывать, что светильник могут установить и в помещении (ангаре), эксплуатироваться он может в районах с теплым
климатом (например, на юге России), а ускоренная деградация
при повышенных температурах практически не будет компенсироваться снижением скорости деградации при эксплуатации
в холодные периоды времени. К другим факторам, ухудшающим охлаждение, относятся: постепенное загрязнение светильника, экранирование теплоотвода, ухудшающее естественную
конвекцию, использование прибора не по назначению (например, в горячих цехах). Таким образом, для наружных применений светильников можно рекомендовать опираться в расчетах
на температуру окружающей среды 20°C.

Итак, приняв, что температура воздуха составляет 20 °C,
получим разность температур между воздухом и радиатором
в 45°С. Перед оценкой необходимых размеров радиатора рассмотрим механизмы отвода тепла. Их два: конвекция и излучение. Конвекцию рассматриваем только естественную, то
есть воздух изначально неподвижен и приводится в движение
только от нагрева светильником. Конвекция сильно зависит от
конфигурации радиатора, его положения и разности температур между ним и воздухом. Например, плоский радиатор, развернутый рабочей поверхностью вниз, охлаждается примерно
в 2 раза хуже радиатора, у которого рабочая поверхность находится сверху. Излучение зависит прежде всего от степени черноты радиатора и, как и в случае конвекции, разности
температур. Чистая полированная поверхность алюминия
имеет степень черноты около 0,2, а черненая или лакированная — около 0,85. Для того чтобы оценить теплоотводящие
способности радиатора, мы провели расчет для случая простейшего плоского теплоотвода. Радиатор с поверхностью
1 кв. дм позволяет в нашем примере при температуре воздуха
20 °С отводить порядка 5 Вт, обеспечивая температуру перехода светодиодного кристалла не выше 110 °С (эта температура была рассчитана выше). Разумеется, при разработке ПСП
размер радиатора следует минимизировать. Это требование
продиктовано прежде всего целями снижения себестоимости и
облегчения конструкции. Рассеивание мощности, составляющей около 1 Вт, при заданной температуре перехода, согласно
полученным результатам, должен обеспечивать алюминиевый
радиатор площадью порядка 0,25 кв. дм (4 кв. дюйма). Эту
цифру можно использовать в качестве отправной точки на
предварительном этапе проектирования ПСП.

Во многих случаях применения плоского радиатора оказывается недостаточно, поэтому перед изготовлением макета может понадобиться проведение более точного расчета. Для этого можно
воспользоваться простыми эмпирическими и теплофизическими
методами расчета радиатора, а также специальными программами, например, CFdesign или QLED, которые позволяют детально
проанализировать тепловое решение. Однако все тепловые расчеты требуют обязательной проверки. Разработчик должен убедиться, что радиатор обеспечивает необходимое охлаждение. В идеальном случае для этого следует измерить температуру p-n-перехода
светодиодов. Но такое измерение требует специального оборудования, которое есть не в каждой лаборатории. Для получения
надежных данных изготовители светодиодов дают собственные
рекомендации по измерению температуры. Однако существенно
менее трудоемким и технически более простым является измерение температуры алюминиевого основания платы, на которой
установлены светодиоды, или радиатора в непосредственной близости от светодиода. Для определения температуры перехода это
вполне допустимо и очень удобно, конечно, если вы уверены в тепловом сопротивлении между переходом и точкой, в которой проводится измерение. Если вы используете одни и те же материалы,
компоненты и технологии монтажа, то для отработки этого метода полезно проводить несколько измерений на нескольких светодиодах и использовать эти результаты в будущем. Проводя измерения температуры, всегда следует помнить, что в большинстве
случаев результаты измерения оказываются несколько заниженными. Это особенно важно в случае, когда измерения проводятся
на малых объектах и на материалах с низкой теплопроводностью.
Другой ошибкой является недостаточная выдержка светильника
после подачи питания: в случае светильников больших размеров
время выхода в установившийся режим может составлять более
часа. Т.е. показания можно записывать в протокол после того, как
они практически перестали изменяться. Здесь стоит упомянуть и
другой, пожалуй, наиболее точный метод измерения температуры
перехода, который основан на изменении прямого напряжения
светодиода в зависимости от температуры. Оборудованием, необходимым для такого измерения, сегодня располагают несколько
лабораторий в Москве и Санкт-Петербурге.

Кроме оборудования и качества теплового контакта, на результаты измерения температуры существенное значение оказывают
условия измерения температуры. Во-первых, это пространственное положение радиатора. Мы рекомендуем располагать светильник в наихудшем из допустимых при эксплуатации положении. Вообще, с точки зрения отвода тепла самым невыгодным
является расположение радиатора снизу, либо когда его ребра
находятся в горизонтальном положении, перпендикулярно восходящему воздушному потоку, появляющемуся при естественной конвекции. Во-вторых, это обдув. Сквозняки или движение
воздуха, вызванное работой вентиляции (особенно приточной),
даже очень слабые, оказывают заметное влияние на результаты
измерений, охлаждая светильник. Например, снижение температуры примерно на 5 °C вызывает поток воздуха, который человек практически не замечает. Это, казалось бы, хорошая новость
для разработчика уличного светильника, который в процессе
эксплуатации почти всегда обдувается ветром. Но важно не забывать, что подобная оценка (при наличии обдува воздухом)
может сыграть против светильника, если его повесят, например,
в крытом ангаре. Нельзя забывать и о нагреве солнечным излучением, от которого страдают, прежде всего, светофоры. В жаркий солнечный день температура корпуса может достигать 60 °C
и выше. Отдельный случай — светильники для подвесных потолков, где следует учитывать не только отсутствие какой-либо
вентиляции, но даже наоборот, возможность установки ПСП
в малых замкнутых пространствах, где температура воздуха при
наличии источника тепла — самого светильника — может со временем несколько увеличиться. Эти примеры говорят о том, что
кроме лабораторных измерений целесообразно проводить измерения в реальных условиях эксплуатации.