Новые подходы к охлаждению высокомощных LED-кластеров

В абсолютном большинстве современных светодиодных конструкций реализована компоновка по правилу «кристалл: спереди стекло, сзади радиатор». Такая компоновка себя полностью оправдывала для предыдущего поколения маломощных LED. Для современных высокомощных LED-кластеров такого подхода к охлаждению оказалось явно недостаточно. Ситуацию удалось частично решить за счет перехода на металлические печатные платы (Metal Core Printed Circuit Board, MC PCB). Тепло «разгонялось» по всей поверхности этих плат, увеличивалась площадь, на которой можно было бы разместить дополнительные радиаторы. Но и возможности этого решения из-за стремительного роста удельных генерирующих мощностей фактически уже исчерпаны.

Критический анализ существовавших подходов к проектированию систем охлаждения светильников и других тепловыделяющих электронных устройств позволил нам найти неиспользуемые до настоящего времени резервы в отводе тепла: это так называемые фронтальные и транзитные схемы отвода тепла. Обе они предназначены для интенсификации отвода тепла с лицевой, передней стороны печатных плат, на которых и смонтированы светодиоды.

Фронтальное охлаждение

Напомним [1–4], что под этим термином подразумевается отвод тепла с помощью специально сконструированных радиаторов охлаждения, располагаемых на фронтальной стороне МС PCB (рис. 1).

Рис. 1. Размещение радиаторов на фронтальной стороне МС PCB

Кроме основной функции — охлаждения, фронтальные радиаторы могут выполнять одновременно и другую роль, т. е. служить основой для монтажа (рис. 2) оптических элементов светильника. Назначение этих элементов — управление (фокусирование, рассеивание, отклонение и т. д.) светом. Такое «индивидуальное» оптическое решение для каждого светодиода открывает новые возможности для управления качеством света светильника в целом.

Рис. 2. Фронтальные радиаторы как основа для монтажа

В зависимости от назначения светильника одна часть светодиодов, входящих в кластер, может быть снабжена, например, рассеивающей оптикой, другая — фокусирующей, третья — отклоняющей. В результате их совместной работы могут быть получены такие световые поля, достижение которых традиционными способами либо очень затратно, либо практически невозможно.

Транзитное охлаждение

Хорошо известно, что эффективность охлаждения электронных устройств, размещенных на печатной плате, существенно зависит от фактора ориентации плат в пространстве (вертикальноориентированная плата охлаждается в 1,2–1,5 раза интенсивнее, чем при горизонтальной ориентации, самой распространенной для светильников). Это объясняется различием аэродинамических условий при обтекания нагретых плат холодным внешним воздухом.

При горизонтальной ориентации плат (рис. 3) молекулам воздуха, нагретым вблизи нижней стороны платы 1, необходимо преодолеть путь S1н до области 2 смешения с внешним, холодным воздухом, который существенно длиннее пути S1в для нагретого на верхней стороне платы воздуха. Это, естественно, затрудняет процесс теплообмена, снижает его эффективность.

Рис. 3. Горизонтальная ориентация платы

Ускорить теплообмен с фронтальной поверхности можно за счет организации так называемого сквозного (транзитного) охлаждения [2]. Сущность такого охлаждения — организация отвода нагретого «нижнего» воздуха другим, более коротким путем S2 (рис. 4).

Рис. 4. Вариант отвода тепла

Для этого на тыловой поверхности печатной платы 2 (рис. 4) размещают радиаторы специальной формы со сквозными отверстиями для беспрепятственного прохода (транзита) горячего воздуха вверх. За счет этого сокращается путь S2 до области смешения с холодным воздухом и, соответственно, интенсифицируется теплообмен. Места расположения на MC PCB этих транзитных радиаторов зависят от конкретной топологии смонтированного на ней электронного устройства (отверстия не должны пересекаться с печатными дорожками).

Транзитные радиаторы (рис. 5) могут состоять из двух взаимопроникающих частей: нижнего сопла 1, забирающего нижний теплый воздух, и верхней части 2, представляющей собой классический радиатор 3 с развернутой поверхностью и отверстием посередине.

При этом важно отметить, что за счет высоты h возникает перепад давлений, усиливающий эффект подсоса нижнего теплого воздуха — эффект вытяжной трубы. Интересно, что при последовательном уменьшении высоты до толщины охлаждаемой платы МС PCB радиатор морфологически преобразуется в отверстие сквозь эту плату.

Выбор материала для изготовления радиаторов

Материал, предназначенный для изготовления таких сложных по форме и высокоточных радиаторов, должен удовлетворять как минимум трем требованиям:

• Обладать теплопроводностью l, необходимой и достаточной для подвода к охлаждающей поверхности такого количества тепла Q (рис. 5), которое реально может «забрать» себе окружающий воздух в условиях естественного охлаждения. Расчеты и многочисленные эксперименты относят к ним материалы с теплопроводностью l выше 7–10 Вт/м·K — металлы и теплопроводящие пластмассы [3].
• Перерабатываться с помощью технологий, обеспечивающих высокую точность их изготовления, соизмеримую с точностью изготовления корпусов кластеров.
• Быть конкурентоспособным по себестоимости в условиях массового производства.

Рис. 5. Транзитный радиатор

Недавно появившиеся на рынке теплопроводящие пластмассы обладают близкой (на уровне 90–95%) к алюминию теплорассеивающей способностью (при естественном охлаждении). Изделия из таких пластиков почти в два раз легче аналогичных алюминиевых, себестоимость их в три-пять раз меньше.

Экспериментальная проверка

Для экспериментальной проверки эффективности транзитного охлаждения исследовались различные схемы на примере светодиодного кластера мощностью 25 Вт (No Brand), размером 20×20 мм, расположенного на алюминиевой подложке размером 40×40×1 мм. Этот кластер был закреплен (рис. 6) через теплопроводную пасту на алюминиевой пластине размером 165×165×1,8 мм. В качестве радиаторов охлаждения использовались игольчатые модульные радиаторы М50 с размерами 50×50×25 мм, изготовленные из теплорассеивающего полимерного композита «ТЕПЛОСТОК Т6-Э5-7» с теплопровод­ностью не менее 6 Вт/м·K.

Рис. 6.
а) Кластер, закрепленный на алюминиевой пластине;
б) игольчатые модульные радиаторы охлаждения

Транзитное охлаждение обеспечивалось модификацией конструкции нижних и верхних радиаторов за счет введения системы из 76 отверстий диаметром 5,2 мм, просверленных через основания нижнего, верхнего радиаторов и базовую алюминиевую пластину. В результате эффективная высота h вставок радиаторов составляла 12 мм. Общая площадь вентилирующих отверстий в данной системе охлаждения составила 16 см² (6% от охлаждаемой площади).

Эффективность систем охлаждения оценивалась по разнице температур окружающего воздуха T_air и самой горячей точки конструкции Т_max, под которой обычно подразумевается температура корпуса LED-кластера (Т_max–T_air). Эта величина напрямую связана с тепловым сопротивлением системы охлаждения: чем она меньше, тем эффективнее работа системы охлаждения в целом.

Температура Т_max измерялась термопарой внутри отверстия диаметром 1 мм, просверленного в центре алюминиевой платы, непосредственно под заводской подложкой кластера. Фиксировались значения температуры при установившемся тепловом режиме работы сборки (как правило, через полтора-два часа после начала эксперимента).

В качестве базовой схемы охлаждения использовалась горизонтальноориентированная конструкция «традиционного» (с плафоном) теплового дизайна — радиаторы сверху, LED-кристаллы снизу, защищены прозрачным плафоном — позиция 2, таблица 1. Для такой конструкции была зарегистрирована максимальная среди всех сравниваемых конструкций температура — +80 °С (перепад 55 °С).

Полученные результаты подтверждают эффективность введения транзитного охлаждения в любые известные в настоящее время схемы организации естественного охлаждения электронных устройств. Вне зависимости от используемой схемы, дополнительное введение элементов транзитного охлаждения, требующее, по существу, минимальных дополнительных затрат, сопровождалось уменьшением рабочей температуры (Т_max) светодиодного кластера.

Наибольший эффект снижения температур кристаллов достигается (табл. 2) в случае комбинированного применения двух, дополнительных к традиционным, систем охлаждения — фронтальных радиаторов и транзитного охлаждения. В этом случае наблюдается фактически 25%-ное увеличение эффективности охлаждения исследуемого LED-кластера.

На рис. 7 приведены фото реальных конструкций LED-светильников различных производителей с фронтальной системой охлаждения, изготовленных из теплорассеивающих пластмасс.