本次实验旨在研究大功率LED光源驱动的原理和实际应用。大功率LED光源具有节能、长寿命、高亮度等优点，然而其驱动电路的设计和稳定性却是一个挑战。本实验采用了恒流驱动的方式，结合PWM调光技术，实现对大功率LED光源的精确控制。通过搭建实验平台，分析驱动电路中的关键参数和电路结构，我们进行了光源的亮度调节、效果评估和稳定性测试。实验结果表明，所采用的驱动方案能够有效控制大功率LED光源的亮度，并具有较好的稳定性和可靠性。本实验将对大功率LED光源驱动的研究与应用提供有益参考。

一：大功率LED光源驱动实验报告

大功率 LED 热沉结构设计与仿真开题报告

　
学院 ：
学生姓名：

　　学 学 号：

　　专 专 业：

　　设计题目：

　　大功率 LED 热沉结构设计与仿真
指导教师：

　　年 月 日

　　 3 毕 毕 业 设 计 开 题 报 告 1.本课题的研究意义，国内外研究现状、水平和发展趋势 研究意义：

　　发光二极管(简称“LED”) 具有环保节能、稳定性好、效率高、使用寿命长等优点，普遍被大家认为是代替传统照明器具的最具潜力商品之一。特别是近几年大功率 LED 照明产品在各界都得到了广泛的应用，例如路灯照明、景观照明、日常照明等领域。但是随着应用的场合对高亮度、大功率的要求的提高，促进了 LED集成光源的发展，但是这样会导致 LED 的热量过大，因此，热问题明显的成为制约 LED 发展的一大因素，其散热问题亟待解决。

　　本次设计从大功率 LED 散热问题入手，通过分析与研究大功率 LED 灯具的散热结构，优化大功率 LED 灯具整体结构设计，降低 LED 芯片的结温，从而有效地改善其散热，提高更加优质的大功率 LED 灯具照明产品。

　　国外研究现状: LED 照明是 21 世纪最吸引眼球的新技术，它涉及到材料，组件结构，光学设计，封装技术与工艺，照明效果等众多领域。目前世界各地都深入研究 LED 光源，到目前为止，美、欧洲和日本对于投资开发 LED 绿色光源都陆续展开， 2007 年欧盟春季首脑会议也达成协议，两年时间内淘汰传统照明灯具，用节能的荧光灯和 LED 灯替代，进而达到环保减排的目的。

　　国内研究现状：

　　我国“八五”期间就相当重视 LED 的发展，通过“863”科技公关，技术上的创新，取得了部分研发成果，但是白光 LED 的技术开发和产业化程度与发达国家相比还有很大的差距。在我国明确提出要节能减排，大力发展节能环保型产品后，大功率 LED 产品的开发变的更为重要，如果 2020 年 LED 照明能够进入我国 1/3 的照明市场，每年便可节约 1000 亿度电，相当于一个多三峡发电厂的发电量。随着 LED 芯片发光效率的逐渐增加，大功率且亮度高的 LED 芯片的出现，让白光固态 LED 照明成为现实，将成为未来绿色节能照明的首选光源。

　　 4 毕 毕 业 设 计 开 题 报 告 2.本课题的基本内容，预计可能遇到的困难，提出解决问题的 *** 和措施 基本内容：

　　(1)对大功率单芯片 LED 在给定条件下，通过改变铝基板底面温度和热电阻层的厚度与散热关系进行了理论和实验研究，并且确定了使用控制变量的 *** 进行研究的基础。

　　(2)应用控制变量法，测试和仿真了铝基板底面温度与热电阻层的厚度对散热的影响，对比所得数据，确定了变量和散热的一般关系。

　　(3)采取在保证铝基板地面温度不控制的条件下，分配不同厚度的热电阻层进行仿真运算的 *** ，验证并保证实验分析结果的可信性和规律性。

　　本课题研究的主要内容是利用 COMSOL Multiphysics 这一软件进行建模仿真，模拟多个功率不同的 LED 芯片在不同的排列方式下的散热情况，从而设计出最优的散热方案，在某些方面上解决了 LED 应用于家庭照明中由于散热造成的技术困难，为 LED 的散热封装提供了理论上的支持，对解决 LED 应用于家用照明散热问题提供。

　　可能遇到的困难：对于 COMSOL Multiphysics 软件使用不够灵活，对大功率LED 特性的了解不够深入，可能会使毕业设计进展较慢。

　　解决问题的 *** 和措施：在老师的指导下，查找相关资料，努力提高自己的专业水平，与同学相互讨论共同学习。

　　报告文档·借鉴学习 .本课题拟采用的研究手段(途径)和可行性分析 研究手段(途径)：

　　查找文献、软件编程结合硬件测试，即利用 COMSOL Multiphysics 软件对大功率 LED 进行热学仿真。

　　可行性分析：

　　对软件 COMSOL Multiphysics 的学习后，熟悉运用该软件对大功率 LED 热沉结构进行热学仿真，预测得出的结果在可行范围内，该软件的应用使得实验测试过程快速准确，所以该毕业设计的研究是可行的。

　　 6 毕 毕 业 论 文 开 题 报 告 指导教师意见：

　　

　　年 月 日 教研室审查意见：

　　教研室负责人：

　　年 月 日

二：大功率LED光源

200w led灯坏了，可以更换灯珠或者灯整体更换。

三：led大功率灯

【摘要】大功率LED应用非常广泛，其能耗小，照明强度高，当大规模芯片整合后，提高了LED的散热能量，若芯片发出的热量得不到及时处理将会影响LED阵列使用寿命，本文通过分析LED阵列工作原理，讨论大功率LED散热的常用技术，讨论散热技术关键参数。

【关键词】大功率 LED 散热技术

LED是发光二极管的简称，它是基于半导体管芯的发光材料，伴随着半导体材料研究技术的日益成熟，规模化发光二极管被广泛应用。LED发光二级管能耗小，照明强度大，使用寿命长，可根据特定需求设计出不同规格尺寸，已被广泛应用于室内装修，车辆，道路和城市照明领域。在实际工作中，LED 的功率是无法达到100%的，将近有80%的输入功率要转换为热损耗，随着大规模、矩阵型的LED灯的使用，能耗也会变得越来越 大，如果不能及时的处理散热问题，将会导致热量集中在二极管的 PN结，就会降低LED灯的使用寿命，严重时甚至会烧毁LED。

1、大功率LED的工作原理分析

1、LED结构

PN结是发光二极管(LED)的核心，主要是半导体材料构成的， 主要是GaAs（砷化稼)、GaP(磷化稼)、GaAsP(磷砷化稼)等半导体作为PN结的主要材料，在一般情况下，LED的主要PN结是一个以 5mm 常规半径构成，在PN结的边缘利用0.23mm的正方形管芯将PN 结粘接或者烧结在带引线的二极管支架上，将引线作为二极管的阴极，球形触点的金丝键作为二极管的内引线，然后在它们连接到另一支架上，将多个二极管连接在一起就形成了大规模的LED矩阵。

LED发光二极管的工作原理是将电能转化为光能的过程，当二极管的PN结两端加上正向偏压时，二极管的PN电位发生变化，此时,P区正离子电荷开始流向N结,N结负离子电荷同时流向P结,P结和N结开始产生电势差。在电光转换过程中,PN结的两端负载正向偏压时会使P结和N结的区域产生非电荷平衡，从而使P结和N结组成的体系，所生成的载流子具有不稳定性,PN结内非平衡空穴需要和导带上的电子进行复合才能产生电流，同时所生成的过剩载流子容量也将以光的方式辐射出去。

2、大功率LED阵列的热效应及影响

目前由于大型LED矩阵所产生的热如果不及时散热将会影响LED矩阵的正常工作，通常LED矩阵发光效率所利用的能量仅能达到20%左右，其中80%是以热形式散发，若LED光通能量符合标准普通照明光通量应在1000流明以上，我们常用的LED照明光源LED（1mmX1mm）功率通常在1瓦左右，且生成热流密度可达106 W/mz或更高，此时需要能及时传导所生成热流，不然会累积于LED芯片内，进而造成芯片结温增加，最后烧坏芯片。这是LED芯片设置必须要解决的问题，当多个芯片封装在一起时，在增加光通量的同时，也产生的更多的热量散热问题。电流持续通过PN结， 在LED光通量增加的同时，还会导致PN结的温度升高，进而就会影响LED的PN结内部的电子浓度，同时也会影响PN结的空穴浓度，禁带宽度等参数，如果长时间的不能散热，就需导致PN结的正向偏压、发光效率、主波长等受到影响，这样就会影响LED的使用寿命，也会影响LED的正常工作。

当LED结温的升高时，就会改变PN结之间的载流子的流动，这样会严重破坏PN结的正向偏压， 导致LED不能够正常工作。如果PN结温度持续升高，它的工作环境就会发生变化，这时，PN结两边的热平衡电子浓度就会发生变化，导致大量的少子产生，从而就会很快的激发PN结载流子的浓 度比杂质比就和增加，这时就会导致PN结的欧姆接触电阻的电阻率下降，就会将杂质半导体变成了本征半导体，造成PN结的功能消失，进而会影响PN结的正常工作。

2、大功率LED散热技术处理

大功率LED阵列技术芯片密度较高,LED光电转化效率仅为20%，其他转化成热能尤其是LED芯片密度越来越高，则使LED操作温度升高，从而降低LED等使用寿命；LED操作温度从63°C升至74°C后。LED的平均寿命会降低四分之三，如果要提高LED的发光效率，就需要对LED的散热进行处理，降低LED的PN结的结温。

1、风冷散热技术

空冷散热一般主要采用的是空气对流散热的技术，它主要分为自然对流散热和强迫对流散热技术两种方式，空冷散热技术主要利用空气流动来散热，本实用新型以空气为冷却剂增加LED器件四周空气流动，则可实现功率型LED设备散热，且风冷散热技术结构简单，并且该LED器件还具有结构相对简单、便于封装处理、构造简单、装置成本相对低廉、其工作非常可靠、并且风冷散热技术相对成熟等特点，但其散热效率较低，通常只适用于小功率LED散热系统。在自然对流散热技术的运用中，采用散热器可以增加LED器件的散热面积，改善LED器件的散热性能，也能够 降低LED基板器件的相关系数，而影响LED散热性能的因素有多种 情况，例如散热器基板的导热系数、器件的对流换热系数等。散热器的散热面积直接影响着LED的散热情况，而散热器的形状对LED 的散热效率影响十分巨大。

随着LED芯片功率越来越大，对芯片散热要求越来越高，而利用自然对流无法达到散热要求，必须利用小风扇提高LED器件散热区域内空气对流速率，然后提高散热器散热系数，具体设计时，为抑制风扇发出的噪声，需把风扇设计得相对较小，甚至融入到LED系统，让其技能实现散热，还能降低风扇噪音。

2、水冷散热技术

LED水冷散热系统是大功率LED设备中常用的散热技术之一， 它的散热介质主要是以去离子水为主，充分利用水的循环流动进行散热。水冷散热技术系统主要由水泵、基板、导水管等部件构成， 它采用水在导水管中的流动，达到对LED器件进行散热的目的。本实用新型通过散热管也增大了LED散热面积,LED芯片工作过程中的热量被转移到基板上，水泵的主要作用就是对散热器进行水循环供电，本实用新型确保离子水可以循环流动，并由LED芯片把产生的热转移到LED基板器件上，进而由基板把热点转移到水中，最后由导水管利用水流把热带走，从而实现特定散热。

采用水冷散热系统可以快速的降低LED芯片带来 的热量，与风冷散热相比，虽然水泵在运行的过程中还会产生一定的噪声，但水冷散热能够快速的散热，具有安静、对环境依赖比较小等优点，在一些中小型的LED设备中得到了广泛的应用。

3、热管散热技术

热管散热技术也较为普遍地应用于LED器件的散热，其主要采用传统的热相变增强导热器件换热，通常热管散热技术包括管壳，吸液芯及端盖几个部分。

在LED的热管设计中，热管的一端设计为蒸发段（加热段），便于吸收LED器件散发的热量，另一端设计为冷凝段（冷却段），其作用是将传导的热降温，高功率LED阵列通常主要通过导热胶将其与蒸发段管壁粘接在一起，从而确保能高效地为LED散热，热管工作过程中，管体内冷却液被蒸发段吸热蒸发，则可将LED器件发出的热带走，当蒸汽从蒸汽腔流入冷凝段，在放出热量同时，也受到冷却段的冷凝，然后被冷却液体，达到对LED降温的目的，经过冷却的液体在LED器件的毛细结构丝网产生的毛细力作用下，然后再回流到蒸发段，这样通过热管冷之间的液体、气体之间的循环，达到对LED器件进行降温的目的，采用热管冷却技术的缺点是设备的 *** 工艺复杂比较复杂，体积极大，而且设备的成本比较高，系统整体稳定性不高。

4、热电散热技术

热电散热技术利用LED阵列通电发光后所产生的热能经导热材料进行传导，并通过冷凝设备进行吸热，主要利用热与电的调控来实现散热，其原理就是基于热电效应。在没有外磁场的情况下，热电散热技术包括导热设备和焦耳热损失的影响原理，使用热电散热技术的主要好处在于其散热密度较高，散热结果更加紧凑且能紧密结合IC工艺，系统结构集成效果更佳。与其他传统散热方式相比，采用热电散热器能够快速的降低LED器件温度，能够快速的使得LED系统的温度降低到36%以上，而且这种技术还可以进行突破，通过选择冷效率高的热导材料，并通过优化热电传导设备结构进行散热，典型的热电散热技术结构如图2所示。

5、热声散热技术

热声制冷技术主要采用热声效应来实现LED器件散热的目的， 热声效应的工作原理是将LED工作时产生的热量加入到声波密集区域，在设备的声波稀疏时将LED系统产生的热量排出，然后声波的能量就会加强。由于声波在空气中进行传播时，就会产生压力波动或者位移的波动，通过声波产生的压力波动达到散热的目的。声波在传播过程中，会受散热器温度变化而产生起伏。若当气体压力，位移和温度变化为时，则与散热器边界接触从而能迅速传递热能，使声波和热能相互转化，然后实现散热，利用声波进行散热具有制冷零件少，且使用成本低，散热结构相对简单等优点。

3、LED散热技术指标分析

1、PN结结温

PN结结温主要由PN通电时出现问题引起，通常指代LED芯片结温还指代高功率LED芯片主动区域结温。PN结运行过程中，电极间电压的存在将引起P接和N结温差，而影响PN结结温度的主要因素是:

（1）LED元器件不良的电极结构。LED的PN结合材料直接影响着LED的导电情况与PN结的结温，主要包括PN结的区域材料、 导电银胶以及视窗层衬底等部分都具有一定的电阻值，如果将这些电阻串联在一起，在电流经过时，就会在PN通电时产生大量的热能，如果不能及时将这些热能排出，进而能够导致PN结或者芯片的温度提升。

（2）LED元器件工作时的光电效应。当PN结开始工作时，P 区流向N区得电荷只有20%的转换成光能，剩余的转换为热能，才能热能就是十分巨大的，而且N区域向P区产生电荷移动时的能量全部转变成热能，这也会影响PN结的结温，如果PN结的光电效能较差的话，就会导致PN结的结温增加。

（3）LED内部器件热散失能力影响PN结的结温。由于多数LED器件内部通常由透明环氧树脂材料制成，其导热率较低，因此PN结区域所产生热能仅有小部分由内部器件释放，并且绝大部分热量都散发在该透明环氧树脂材料原料上，对LED用PCB基板和热沉以及其他散热器方向散热，这将造成LED散热效率提高和PN结结温增加。

（4）PN结的 *** 工艺。目前，在LED的 *** 工艺都采用了先进的技术水平，几乎能够将全面的电能转化为热能，但是如果LED 的PN周围的介质对光的折射系数过大，就会将反射回芯片内，从而也会导致PN结的结温过高。

2、LED热阻对散热指标的影响

LED热阻又是描述LED热性能的重要参数，若LED设备热阻较低，则表示系统散热性能良好，同时也表示LED散热通道较为顺畅，内部散热设计得越好，使LED所产生热量越易散去，系统散热性能也越好，在系统散热良好的情况下，使LED芯片的结温越易降低，可以提高LED寿命。一般地，LED的发热中心主要是芯片的有源区，在设计的时候，如果将LED的芯片尺寸设计 的相对面积比较大，而且还比较薄，这时，可以假定LED散热是沿着芯片的截面方向垂直传递，对LED的热阻进行分析，从PN结向外部热沉，这样LED的热扩散方式就是向外进行扩散。

在LED热阻分析中，热阻可分为内热阻与外热阻2种表现形式，内热阻为LED芯片所固有，属LED芯片内在性质，它关系到LED芯片的制造材料、形状和生产工艺，对LED芯片散热性能有着举足轻重的影响。外热阻即LED芯片外壳体，外热沉，它直接关系到LED外材料，外热阻和外壳体封装材料有关、形式与外接热沉导热率有直接关系，外接热阻较大，造成LED芯片整体散热率降低。

4、结束语

LED在现实生活中应用十分广泛，为了提高LED的使用效率，需要对LED的散热效果进行有效的设计，大功率LED阵列的工作寿命与LED的散热性能有着直接的关系，一般来说,LED运行时，电能仅有20%转化为光能，其余仅转化为热能，由此可见LED运行时在特定的运行过程中会产生很多热能，这就需要在LED系统设计中， 加强对LED的散热性能进行设计，有效的控制LED的散热方式，通过采用各种散热技术 *** 来提升LED的散热效果。在具体的设计中，需要根据LED的使用 *** 以及LED阵列功率的大小，采用不同的散热技术与散热效果较好的材料，在对PN结的结温进行控制的同时，还要能够有效的降低散热器的热阻，提高散热器的散热效果。