1）LED灯具热阻一般形式

根据LED器件热阻结构（见图3-16）和热阻计算公式式（3-23），可知灯具热阻主要由芯片级热阻、板级热阻和系统热阻组成。在第4～第7章，主要介绍了芯片和板级热阻的构成，而系统热阻在灯具热阻中占很大的比重，下面将重点分析讨论一下系统热阻的构成及基本形式。

图8-26为LED灯具热流路径和系统热阻的组成。由图可知，热流流经PCB基板后，经过热界面材料到达散热器。热量到达散热器后，通过热传导传递到散热器表面，再通过空气热对流和散热器表面的热辐射将热量传递到周围空气，这两种传热方式是同时进行的，并且都是从散热器表面传递到空气，因此二者是并联关系。与热流路径相对应，LED灯具系统热阻也是由相应的热阻组成，包括PCB基板和散热器之间的热界面热阻Rth-TIM、散热器热传导热阻Rthsink、热对流热阻Rth-conv和热辐射热阻Rth-ra。式（3-23）中LED灯具系统热阻计算公式可由下式表达：

图8-26　LED灯具系统热流路径及热阻构成

有些研究将LED灯具热阻分成内部热阻和外部热阻，内部热阻又可称为封装热阻，包括芯片热阻R1、芯片键合热阻R2、引线框架热阻R3、焊点热阻R4等，外部热阻包括热沉下层的导热硅胶热阻R5x、基板热阻R6x、铝基板与散热器之间的导热硅胶产生热阻（可以合并到R5x）、散热器热阻R7x、散热器和环境之间的热阻R8x。内部热阻是由LED芯片生产厂商和封装厂商决定的，它关系到光衰和寿命，是衡量光源品质的重要指标，对灯具用户来说是无法改变的。而外部热阻除了和PCB、散热器本身的热阻有关之外，还和导热胶涂覆工艺、灯具的安装工艺、散热器表面空气对流情况、环境温度有关。不同的灯具其外部热阻不同，可以把它称为待定应用热阻（见图8-27）。

总热阻可用串联热阻网络来表示：

式中各热阻的具体计算过程，参考第5～第8章等章节相关的热阻计算公式进行具体计算。x表示待确定热阻，待确定热阻有4项，根据具体灯具结构可以增减待确定热阻项。

图8-27　LED灯具热阻网络模型

2）带有电源的LED灯具热阻模型

驱动电源是灯具的重要组成部分，是把交流电转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电压转换器。另外，它工作中产生的热量对LED的散热也有很大的影响。外置电源对LED散热的影响可以忽略，但对于内置电源，如球泡灯、射灯等，驱动电源的影响是不能忽略的。

带有内置驱动电源的LED灯具，除了图8-27介绍的内、外热阻之外，还要考虑驱动电源对内、外热阻的影响（见图8-28）。驱动电源的产生的热量（热功率P1）通过芯片模组（R11）、导热胶（R51x）、电源PCB基板（R61x）后，再通过两条路径传递到周围空气。一条路径是通过驱动电源周围空间传递到灯具外壳（R71x），再由灯具外壳传递到周围空间（R81x）；另一条路径是通过周围空间传递到灯具PCB基板（R91x），再通过PCB、散热器、传递到环境。这两条热阻在电源基板PCB1点后形成并联网络，整个电源热阻网络和LED芯片热阻网络形成大并联网络。

图8-28　带有电源的LED灯具热阻网络模型

3）LED灯具热阻网络分析实例

（1）MR16射灯热阻网络模型

LED灯具MR16射灯主要由灯罩和灯头两个构件组成（见图8-29）。其中，灯罩内部固定PCB板，由于灯罩材料导热性很差，它和PCB板基本不参与散热；芯片模块位于陶瓷基板上，而陶瓷基板通过导热硅胶片与铝制灯头连接在一起的，芯片上产生的热量主要通过陶瓷基板传导到灯头上，再通过对流耗散到空气中。

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图8-29　MR16灯具外形及结构

图8-30是LED灯具的等效热阻网络模型。热量由芯片结区产生，从两个主路径并行传出：一是从蓝宝石衬底传到陶瓷基板，再传到灯头热沉或直接散到空气；二是从封装硅胶传到灯头热沉，再散到空气。由于硅胶的热导率很低，从第二条传导路径传出的热量相对较少，而第一条传导路径中陶瓷基板的整体热阻最大，因此热量传导主要在陶瓷基板上受阻。从模拟结果来看，LED灯具从芯片结区到灯头的热阻约为20.7℃／W，属于高热阻封装结构［113］。

图8-30　MR16灯具热阻网络模型

（2）洗墙灯热阻网络模型

选用的LED洗墙灯光源（见图8-31）由18颗相同的LED横向阵列分布，每颗LED的额定功率为1 W，并联成一个模块，焊接在基板上，再将基板用螺钉固定在灯具外壳上，灯具的额定功率均为18 W。

灯具采用了简单的外部翅片散热器结构，散热器和灯壳为一体，散热器底部灯珠下端采用粗大的一块翅片，在热量最集中的芯片下端增加热容量，及时地将热量导出，两端设计部分少量翅片，增加散热表面积。这种散热器设计简单方便。结构模型热学传输通道可简要表示为其主要热传递路径：PN结→银胶→铜热沉→导热胶1→铝基板→导热胶2→散热器→环境。此传递路径由多个接触热阻、传导热阻及扩散热阻、对流热阻组成［114］。其热阻网络如图8-32所示，R7为扩散热阻，R8为散热器到环境的热阻。

图8-31　LED洗墙灯

1-散热灯壳；2-密封条；3-玻璃盖板；4-底部基板；5-LED芯片；6-简化热阻片
A-铝基板；B-导热胶1；C-PN结；D-银胶；E-铜热沉；F-导热胶2；G-散热器

图8-32　LED洗墙灯热阻网络模型

（3）LED筒灯热阻网络模型

一个完整的大功率LED筒灯，包括驱动电源、芯片、基板、散热器、透镜、热界面材料、内外环紧固件等部件。由于驱动电源是独立安装的，本设计过程不考虑电源散热，另外外环紧固件对散热影响比较小，因此也忽略不计。简化后的模型从上到下依次为：散热器、铝板、铝基板、导热硅脂、芯片、透镜和内环紧固件（见图8-33）［115］。

图8-33　LED筒灯结构模型

LED芯片产生的热量首先以导热的方式通过焊料层、金属芯线路板和热界面材料，然后到达铝板，再到达散热器，最后在外部翅片的自然对流和辐射换热作用下，将热量传递给外部环境，其热阻网络模型如图8-34所示［116］。

图8-34　LED筒灯热阻网络模型

Ta—环境温度；Pji—单个LED的功率；RLED—LED内热阻；Rbond—焊料层热阻；Rsp—扩散热阻；
RMCPCB—金属芯线路板热阻；RTIM—热界面材料热阻；RAl—铝板热阻；Rfin—散热器热阻；Rfa—散热器和环境之间的热阻。