【经验】如何通过合理的热设计提高LED灯具性能，同时降低成本

时间： 2018-08-17 来源：TT Electronics

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TT Electronics提供了大量分立元件包括全系列红外发光二极管，可选择密封或塑料。TT Electronics的密封红外LED具有出色的耐水和其他溶剂性能，同时提供最宽的工作温度和抗热冲击性。

TT公司的LED热管理技术对其寿命，性能和成本有着重要的影响。只有应用合理的热管理设计原则，才能更加凸显对传统照明的优势。下面以TT推出的OP230系列红外LED来介绍LED的热管理。如图是器件实物图

OP230产品实物图

LED流明效率（每单位施加的电功率产生的流明，lm / W）是最重要的光源特性。随着器件结温的增加，LED效率降低。而随着效率降低，实现同样发光强度所需的的LED数量以及材料的成本就会增加。从而功率也增加，这又增加了操作成本。

流明维持率（LED寿命期间的光输出变化）是第二重要特性。随着LED结温的升高，流明维持率会降低，而流明维持率越低，光源需要维护或更换的频率越高。这增加了光源的运行成本。未能正确管理LED的结温会导致灯具光输出的主波长和相关色温的增加，同时导致器件的CRI（显色指数）降低，这意味着灯具不太可能会重现真实的色彩。有些对色彩非常看重的应用会受到这些参数变化的不利影响，例如色彩感应，摄影，显示和标牌以及电影摄影设备。

LED光源的目的是降低灯具的运行和维护成本。保持较低的结温将进一步降低LED光源拥有的总成本，使热管理成为灯具设计的重要部分。在LED光源设计中应用适当的热管理时，必须考虑以下几个LED的电气参数：

（1） LED的正向电压直接受结温影响：随着结温升高，正向电压降低。今天的大多数LED光源都由恒流驱动电路供电。随着正向电压降低，电功率也降低。这种降低的功率应用于LED，再加上由温升引起的低功效，加剧了光输出的损失。然而，通过选择具有热稳定结温的光源驱动电流，可以补偿光输出。

（2）LED功耗会在LED内部产生热量并增加结温。当电功率（所施加的正向电流和LED正向电压的乘积）流过LED时，它被转换成光功率和热量。因为LED是封闭系统，所以光功率和热量的总和等于所施加的电功率。100流明冷白光LED将为每瓦特耗散的功率产生约330mW的光功率。剩余的670mW转换为热量。提高LED效率的好处是将更少的电能转换为热量。

（3）热阻抗衡量系统从光源传输热量的程度。结温与周围环境温度之间的差异是产生的LED热量和从LED的PN结区到周围环境的路径的热阻抗的乘积。通过降低热量或热阻抗，结温将降低。对于光源，热量以传导和对流的方式传递。传导是通过固体物质传递热量，并且取决于固体的热特性及其几何形状。对于具有给定导热率（k）的材料，通过材料传递的热量（q），材料的有效厚度（L）与热流平行，以及热路径的有效面积（A），从最靠近热源的材料边界（T1）到第二边界（T2）的温度变化通过以下由傅里叶热传导定律导出的公式计算：

因此，通过最大化材料热导率（k）和热路径（A）的有效表面积并最小化热路径（L）的长度，沿着从第一边界到第二边界的热路径的温度变化被最小化。

（4）对流是将热量从固体物质边界转移到气体或液体中。对流取决于边界的表面积和气体或液体的流动性。如果气体或液体是静止的，则传热被认为是自然对流。如果气体或液体在移动，则传热是强制对流。对于具有有效表面积（A）的固体，传递的热量（q），气体或液体具有依赖于流动的对流传热系数（h），这导致固体（ TS）到气体或液体（TA）时温度的变化。这可以通过从牛顿冷却定律导出的以下等式计算：

将这些热传导和对流方法应用于灯具的设计，可以保持LED结温，以最小化操作和维护成本。热设计的通常局限性是物理约束和夹具成本。

由LED耗散的电功率是正向电压和正向电流的乘积。对于100流明的LED，大约33％的电能转换为光功率，而另外67％的电能转换为热能。 LED封装中的热传递始于LED的PN结区，并且大部分热量通过管芯底部，管芯附着材料，引线框架流向焊点。从封装密封剂到管芯的热路径的热阻通常比到焊接接头的热阻更高，因此，OP230系列LED封装具有导热垫。导热垫通常用带焊锡连接到电路板上。

有许多电路板材料和结构可以最大限度地降低热阻。许多FR4电路板在热垫旁边放置有热通孔，以将热量传导到与LED相对的一侧。通常，电路板连接到散热器以增加从灯具到周围环境的热传递。较大的散热器表面积将导致较低的热阻抗。为了将PCB到散热器的热流最大化，在两个组件之间放置热界面材料（TIM）。 TIM可以是填充由于表面粗糙或热变形而产生间隙的油脂，环氧树脂或垫。

图 2 FR4电路板示意图

图 3 OP230系列LED结温确定过程

在做出设计决策时，需要考虑灯具的总成本，包括采购，运营和维护成本。减小散热器的尺寸和成本，然而这同时增加了功率消耗才能提供同等效果的光，这种设计考量可能会降低设备的发光保持效果，反过来可能导致设备的总成本更高。例如，100瓦特，750美元的固定装置将花费657美元运行五年（24小时/天），价格为0.15美元/千瓦时。在五年寿命结束时，更换夹具的成本估计为225美元，用于人工和设备。如果改变散热器设计以将采购成本降低到700美元，但LED结温增加使得功率消耗现在为125瓦以产生相同的光，则运行成本必然更高。较高结温的第二个后果是发光保持的减少，需要在四年内更换灯具，而不是五年。夹具的采购成本可能已经降低，但是操作和维护夹具的成本很快就超过了降低的采购成本。

图4 OP230系列LED灯具总成本随使用年限变化示意图

随着新的LED灯具设计的创建和优化，其效率和发光维持率将成为影响运营成本和维护成本的关键性能参数。适当的热设计可以平衡这些性能参数与材料成本。设计人员通过评估热路径上的所有组件并了解如何最大限度地降低每个组件的有效热阻，来确保相对较低的结温，从而使灯具具有热效率，使用寿命长且维护成本低。

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成兴光是一家集研发、生产、销售、服务于一体的高新技术企业，在深圳、湖北设有现代化研发生产基地，均设有ASM成套全自动光电设备生产线，产品主要涉及指示类LED、照明类LED、陶瓷车灯LED、背光类LED及UV紫外杀菌/红外LED，具有低热阻、高亮度、色温一致的优良性能。

指示类LED 照明类LED 背光类LED 车灯类LED 陶瓷类LED 红外LED UV紫外杀菌LED

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XL-4014UGC-02 4014翠绿0.2W贴片式发光二极管技术数据表（XL-4014UGC-02 4014翠绿0.2W贴片式发光二极管 Technical Data Sheet）

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2023/12/21 - 成兴光 - 数据手册代理服务技术支持批量订货

成兴光（XINGLIGHT）SMD LED贴片器件选型指南

目录- 公司简介 LED介绍和贴片材料说明 SMD LED贴片器件产品型号定义贴片SMD型LED使用说明书正面系列透镜系列侧面系列红外系列内置IC系列顶部发光系列

型号- XL-TD3224SURUGC,XL-A3528RGBC-BM,XL-2810SURC,XL-3030SURC,XL-TD3224RGB,XL-3020UWC,XL-1606SURC-03,XL-3210RGBC-YG,XL-1608SURC-06,XL-1606SURC,XL-3210WWC,XL-1608SURC-04,XL-3806RGBC-6L,XL-1608UWC-04,XL-TD3216UBC,XL-4008WWC,XL-TD4228PDC,XL-3014SURC,XL-3216UBC,XL-1608UWC-06,XL-1608RGBC,XL-2835RGBC-MS,XL-2012UOC,XL-1608SURSYGC,XL-3020UGC,XL-3215BGWC,XL-3806UBC,XL-5730UBC-05,XL-1606UWC,XL-4008SURC,XL-3806WWC,XL-5730WWC-05,XL-1615SURUGC,XL-2810UYC,XL-2012SURC,XL-TD3224SURC,XL-1608WWC-04,XL-1608WWC-06,XL-5050SURC,XL-2012UWC-DS,XL-3535RGBC-WS2812B,XL-3030BGWC,XL-0201UBC,XL-2012SURC-DS,XL-1005UBC,XL-3215UWC,XL-1005BGWC,XL-2012UPC-DS,XL-3215SYGC,XL-1608SYGC-04,XL-1608SYGC-06,XL-3528UYC,XL-3806RGBC-4L,XL-3528SURUBC,XL-1606UGC,XL-3215UGC,XL-3806UOC,XL-0807RGB-MS,XL-1608UBC-06,XL-TD1608UBC,XL-1608UBC-04,XL-3030UYC,XL-TD4228HIRC,XL-2835WWC-05,XL-3227SURUBC,XL-1606UYC,XL-5050UOC,XL-2810UGC,XL-3216WWC,XL-TD3224SYGC,XL-3210SURUBC,XL-2016UBC,XL-3528SURSYGC,XL-1005SYGC,XL-3014UGC,XL-TD3224UOC,XL-6028WWC,XL-3528SURC,XL-2810UWC,XL-2012PDC,XL-3216SURUBC,XL-2016SURC,XL-5050RGBC-WS2812B,XL-2835WWC-02,XL-3014UWC,XL-3020UBC,XL-1615RGBC-YG,XL-3215UYC,XL-1615UBUGC,XL-3210UGC,XL-5050RGBC-MS,XL-TD3216UWC,XL-3014UBC,XL-3806UVA,XL-3020WWC,XL-3030UGC,XL-3210UWC,XL-2016UOC,XL-4008UOC,XL-3030UWC,XL-1010SURUGC,XL-3528UOC,XL-5050UYC,XL-0201SURC,XL-3806UWC,XL-B3528RGBC-HM,XL-3216RGBC,XL-1010RGB-YG,XL-3216BGWC,XL-1608BGWC-06,XL-TD3224SURSYGC,XL-TD3216UGC,XL-0201UYC,XL-TD3216SYGC,XL-1608BGWC-04,XL-1615SURUWC,XL-3210HIRC,XL-TD1608UGC,XL-1615SURSYGC,XL-2835BGWC-05,XL-2012WWC-DS,XL-2012UYC,XL-3010RGBC,XL-1010SURSYGC,XL-TD3216UYC,XL-3528BGWC,XL-5730UYC-05,XL-3227RGB-RF,XL-TD1608UWC,XL-1606UGC-03,XL-3210UYC,XL-TD3224UBC,XL-6028UGC,XL-1608SURUGC,XL-3528UYC-FJ,XL-2835UBC-05,XL-3216SURUGC,XL-5730UGC-05,XL-2835UBC-02,XL-3216UWC,XL-2835UGC-05,XL-6028SURC,XL-2835UPC-05,XL-3210SURSYGC,XL-4008UBC,XL-0201UGC,XL-2835UPC-02,XL-2012IRC,XL-1005UOC,XL-1606UBC-03,XL-6028UWC,XL-TD3216IRC,XL-2835UYC-02,XL-3216UGC,XL-2835UYC-05,XL-3010SURUBC,XL-0201UWC,XL-3014WWC,XL-3210IRC,XL-3030WWC,XL-1010SURUBC,XL-1608UYC-06,XL-2012UWC,XL-1608UYC-04,XL-TD1608SYGC,XL-2810UBC,XL-5730BGWC-05,XL-TD1608UYC,XL-2012HIRC,XL-5050RGBC,XL-3030UBC,XL-2012UGC,XL-3528UBC,XL-2835UGC-02,XL-3806SURUGC-4L,XL-3216UYC,XL-3210SURC,XL-1608UGC-04,XL-1608UGC-06,XL-3528SURC-FJ,XL-3528WWC,XL-3020SURC,XL-2835BGWC-02,XL-3216SYGC,XL-3216IRC,XL-1608SURUBC,XL-3528UPC,XL-TD3224UGC,XL-3215UOC,XL-2012UGC-DS,XL-2012RGBC,XL-2016UYC,XL-TD3216HIRC,XL-5050RGBC-KS,XL-3010SURUGC,XL-4020RGBC-WS2812B,XL-1615SURUBC,XL-5050UGC,XL-3227UBUGC,XL-3806UGC,XL-1606UOC,XL-2012UYC-DS,XL-A3528RGBC-HM,XL-TD3216SIRC,XL-3210PDC,XL-3014UOC,XL-3227SURSYGC,XL-3210RGBC-RF,XL-3806UYC,XL-5050UWC,XL-3216SURSYGC,XL-2012SURUGC,XL-TD1608SURC,XL-TD4228IRC,XL-TD3224SURUBC,XL-5050RGBC-SK6812B,XL-2012UBC-DS,XL-1615UYSYGC,XL-4008SYGC,XL-1005SURC,XL-1608UOC-06,XL-3010SURSYGC,XL-TD3216UOC,XL-2012WWC,XL-2016UGC,XL-4008UGC,XL-6028UBC,XL-2016SYGC,XL-0807RGB-KS,XL-3210UOC,XL-2012SURUBC,XL-3216HIRC,XL-3806SYGC,XL-3216SURC,XL-3216PDC,XL-2016UWC,XL-4008UWC,XL-3210SYGC,XL-3528RGBC-WS2812B,XL-1608UOC-04,XL-TD3216PDC,XL-3806SURUBC-4L,XL-1606UWC-03,XL-1615RGBC-RF,XL-1606UBC,XL-3528UWC,XL-3014UYC,XL-2012UOC-DS,XL-TD3224UYC,XL-1005UYC,XL-3528UGC,XL-1606SYGC,XL-3806SURC,XL-2012SYGC,XL-3215WWC,XL-3528SURUWC,XL-3020UYC,XL-2835UWC-02,XL-TD1608UOC,XL-3210SURUGC,XL-4008UYC,XL-2810SYGC,XL-2835SURC-05,XL-2835UWC-05,XL-6028UPC,XL-2835SURC-02,XL-1615UOUGC,XL-0807RGBC-WS2812B,XL-2835RGBC-KS,XL-3210UBC,XL-2012SURSYGC,XL-1005UGC,XL-3020BGWC,XL-3227RGB-YG,XL-3227SURUWC,XL-5730SURC-05,XL-3216UOC,XL-5050WWC,XL-3210BGWC,XL-2810WWC,XL-2012UBC,XL-3528UVA,XL-0201UOC,XL-3227UYUGC,XL-B3528RGBC-BM,XL-5730UWC-05,XL-3528SURUGC,XL-1005UWC,XL-3215SURC,XL-3215UBC,XL-2012BGWC,XL-3227SURUGC,XL-5050UBC

2022/7/26 - 成兴光 - 选型指南代理服务技术支持批量订货

【元件】灿瑞科技推出第二代IR LED提供高效辅助照明解决方案

灿瑞科技推出第二代IR LED光源，实现照度均匀的矩形光斑，采用自主一次光学压膜技术，相比传统透镜组装方式，能有效改善透镜脱落的问题。该款红外LED采用3.85mm×3.85mm的优质EMC支架封装，极大节省了终端设备的设计空间，提高产品可靠性。

2024-04-30 - 产品代理服务技术支持批量订货

XL-3030RGBC-WS2812B 3030幻彩贴片式发光二极管技术数据表（XL-3030RGBC-WS2812B 3030幻彩贴片式发光二极管 Technical Data Sheet）

描述- 本资料详细介绍了XL-3030RGBC-WS2812B幻彩贴片式发光二极管的技术规格和应用。该产品具有小巧的尺寸、七彩幻彩发光效果、符合ROHS环保要求，适用于SMT贴片自动化生产和红外线回流焊制程。产品广泛应用于LED全彩发光字灯串、全彩模组、幻彩软硬灯条、外观照明、异性屏以及各种电子产品和电器设备的跑马灯。

型号- XL-3030RGBC-WS2812B

2023/12/7 - 成兴光 - 数据手册代理服务技术支持批量订货

TT Electronics光电LED传感器选型表

提供TT Electronics红外发射二极管,可见LED,光电传感器,高可靠性GaAIA红外发射二极管,塑料红外线发射二极管选型,多种温度以及封装选择,LED峰值波长高达940nm,光束角范围4.5°~150°

产品型号	品类	Package	Continuous Forward Current(mA)	LED Peak Wavelength(nm)	Forward Voltage(V)	Total Beam Angle(°)	Operating Temperature(℃)	EE(APT)(Min.)(mW/cm²)
OP123	Hermetic Infrared Emitting Diode	Pill	100mA	935nm	1.5V	24°	-65℃~125℃	0.4mW/cm²@50mA

选型表 - TT Electronics 立即选型

XL-3528UVA 3528 紫色贴片式发光二极管技术数据表 (Technical Data Sheet)

描述- XL-3528UVA是一款尺寸小巧、环保的LED产品，适用于室内照明、辅助照明、广告模组照明、发光字、柜台照明、商场照明和珠宝展柜照明等领域。该产品具有环保工艺、湿气敏感性等级2a-3级、EIA规范标准包装等特点，并适用于SMT贴片自动化生产和红外线回流焊制程。

型号- XL-3528UVA

2023/12/20 - 成兴光 - 数据手册代理服务技术支持批量订货

【产品】符合美国军用标准的GaAIAs红外发光二极管，军事应用首选

TT公司推出的砷化铝镓红外发光二极管OP235TX/OP235TXV/OP236TX/OP236TXV，中心波长为890nm，采用封闭式TO-46金属封装，半功率间的发射束角仅为18°。

2018-02-06 - 新产品代理服务技术支持批量订货

【应用】高分辨率红外阵列温度传感器MLX90640/1在智能照明设备中的应用，提供精确的人体检测方案

传统的具有人体检测功能的LED照明灯多采用PIR人体热释电红外的方式检测人的存在，这种产品大多应用于人体活动的场合，这样的检测方式带来了极大的问题，往往人还存在时出现灯熄灭的情况。Melexis公司推出的一款红外阵列温度传感器MLX90640、MLX90641，其中MLX90641具有16*12像素阵列，MLX90640具有32*24像素阵列，提供精确的人体检测方案。

2019-12-06 - 应用方案代理服务技术支持批量订货

XL-3020SURC 3020 红色贴片式发光二极管技术数据表 (XL-3020SURC 3020 红色贴片式发光二极管 Technical Data Sheet)

描述- XL-3020SURC是一款小型LED产品，具有红色发光和透明胶体，符合ROHS环保要求，适用于SMT贴片自动化生产和红外线回流焊制程。产品广泛应用于室内照明、商业照明显示、LCD背光源和装饰照明等领域。

型号- XL-3020SURC

2023/12/19 - 成兴光 - 数据手册代理服务技术支持批量订货

【产品】工业级塑料红外发光二极管，等效LED的功率输出比GaAs更高

OP290系列产品是TT Electronics公司推出的高可靠性塑料红外发光二极管，包括OP290、OP291、OP292、OP293、OP294、OP295、OP296、OP297、OP298、OP299等型号。采用T-1¾、TO-18或T-46等包装方式，由于尺寸小，该系列中的所有二极管都具有相当大的设计灵活性。该系列中的每款器件都是砷化镓红外发光二极管（LED），采用IR透射封装

2018-06-24 - 新产品代理服务技术支持批量订货