CRT彩色显示器检修一则

　　Rj2：焊料的热阻

　　Rj3：铝基板的热阻

　　Rj4：导热硅胶的热阻

　　Rj5：从散热器到空气的热阻

　　所以从芯片到空气的总热阻就应该是：

　　Rja=Rj1+Rj2+Rj3+Rj4+Rj5

　　只要知道从芯片到空气的全部热阻，就可以根据需要耗散的功率Pd，计算出结温来，知道了结温也就可以知道其寿命了。

　　假定环境温度为Ta，那么结温为：

　　Tj=Pd（Rj1+Rj2+Rj3+Rj4+Rj5）+Ta

　　然而实际的LED灯具，从LED芯片到空气所经过的热阻要远比这个多很多，例如，通常薄膜印制板是安装在铝基板上，铝基板再安装到铝散热器上，其间还要涂上导热胶，导热胶的厚度很难估计，而且其中还有残存的气隙。对于采用热管的灯具，则还要考虑热管和散热鳍片之间的空隙和导热胶的热阻等问题。

　　而且最难估算的是Rj5，也就是散热器到空气的热阻。这牵涉到很多有关对流和辐射的散热机制问题。

　　需要注意的是在计算LED的散热时，经常犯的一个错误是把LED的全部功率当成是其耗散功率Pd。例如，一个1W的LED，其正向电压是3.3V，正向电流是350mA。于是就把这二者的乘积1.155瓦作为其耗散功率。这是错误的。因为这只是其输入功率，而不是其耗散功率。有一部分输入功率变成了有用的光发射出去了。需要作为热来耗散的那部分，应当是输入功率减去以有用光的形式发射出去的那部分，才是需要作为热而耗散的那部分。不过这部分比较难计算。一般来说，因为LED的发光效率有所不同，而这个耗散功率也有所不同。一般来说，可以作如下的近似：发光效率为100lm/W，其耗散功率应为70%输入功率，对于上面所说的1W的LED，也就是1.155x0.7=0.8W变成无用的热需要散发出去。

　　那么是不是知道了所有各部分的热阻，我们就可以知道这个LED灯具的总热阻，也就可以知道LED芯片的结温，也就可以知道这个灯具的寿命了呢？

　　情况远远不是那么简单，虽然我们可以仔细分析每一部分的热阻，甚至还可以得到比较精确的数字，但是还是有很多重要的因素被我们忽略掉了。因为上面的这个模型只不过是单个LED的灯具的模型，而实际的灯具要比这个模型复杂很多。

　　1．LED的分布。在很多情况下，LED灯具里是由很多颗LED所构成而不是只有一个LED。可能所有这些LED都焊在一块铝基板上。这时候如果只用标准的铝基板的热阻来计算整个灯具的热阻就会有很大的出入。因为每个LED的散热会受到周围LED所发出的热影响。换句话说，这时铝基板的热阻是很难计算的。

　　2．其他热源的影响，例如LED的恒流电源就是重要的发热源，假如这个发热源靠近某些LED，那么就会明显降低这些LED的散热而缩短其寿命。也相当于改变了其热阻。

　　3．热阻实际上只考虑了热传导，而根本没有考虑热对流和热辐射。热量从LED芯片出发，经过了一系列不同材质传导，最后到达鳍片散热器。这些热量最后都要散发到空气中去。如果散发不到空气中，那么这些热量也会越积越多，导致结温的升高。所以可以说，最后鳍片散热器散到空气中的这一环节，是最关键的一环，是最复杂的一环，也是最难计算的一环。或者说Rj5基本上是无法用简单的计算就能算出来的。这就使得要通过所有部件的热阻来计算出LED的结温几乎是不可能的事。

　　七．散热器的设计

　　要谈到散热器，有一个概念先要搞清楚，就是导热和散热的区别。导热就是要把热量最快地从发热源传送到散热器表面，而散热则是要把热量从散热器表面散发到空气中去。首先要把热最快的导出来，然后要最有效地散到空气里去。因为不管采用什么方法散热，最后还是只能把热量散发到空气中。而热量的散发只有两种途径：对流和辐射。

　　7.1对流散热和辐射散热

　　对于对流散热来说，其基本公式如下：

　　Q=h?A?△T

　　其中Q为散去的热量，h为热对流系数，A为散热器的散热面积，△T为散热器表面和附近空气之间的温度差。

　　更形象一点，可以用图10来表示：

图10：基于对流的散热量的计算

　　鳍片的散热主要是靠对流和辐射，这其中对流是最重要的。这两部分都取决于鳍片的总面积。面积越大，散热效果越好。然而，对流散热则不完全取决于鳍片面积的大小，而且还和风力风向有关，在完全无风的状态下，则和自然对流的阻力有关。例如假如为了防尘和防鸟屎堆积，鳍片朝下安装，那么鳍片两端不能堵住，而且灯具要么向下倾斜要么向上倾斜，可以让热空气能够顺畅地流动。

　　热辐射的散热公式为“Q=E×S×F×Δ(Ta－Tb)”。公式中Q代表热辐射所交换的能力，E是物体表面的热辐射系数。在实际中，当物质为金属且表面光洁的情况下，热辐射系数比较小，而把金属表面进行处理后（比如发黑）其表面热辐射系数值就会提升。塑料或非金属类的热辐射系数值大部分都比较高。S是物体的表面积，F则是辐射热交换的角度和表面的函数关系，但这里这个函数比较难以解释。Δ(Ta－Tb)则是表面a的温度同表面b之间的温度差。因此热辐射量和热辐射系数、物体表面积的大小以及温度差之间都存在正比关系。绝对黑体的辐射系数为1。热辐射散热也可以用另一个公式来表示：

　　由表中可见，氧化处理是改进材料的辐射散热的重要途径。采用铸铁的暖气片有相当一部分的散热靠的是辐射散热。而且塑料的热辐射性能和氧化后的金属差不多。

　　为了改进辐射散热，铝合金鳍片散热器要进行发黑处理，但是有人是采用喷黑色塑胶漆的方法，这种方法虽然也使其表面变黑，但是实际上又加上了一层绝缘层，妨碍了它的散热。最好的方法是采用阳极氧化发黑处理，这个氧化层可以做得很薄，不至于影响其散热，但对辐射散热有很大的改进。

　　总之，不管是对流还是辐射都是和散热器的散热面积成正比，所以要改善散热一定要加大散热器的面积。

　　八．鳍片散热器

　　散热器采用鳍片的形状是为了加大散热面积。以利于辐射散热和对流散热。散热器的最重要指标就是它的散热面积A，但是散热器的不同部位的散热效果是不同的。在根部的散热效果就差，而在顶部的散热效果就好。所以散热器有一个有效散热面积。它通常是实际面积的70%左右。从经验得出，一般要散1W功率的热量大约需要50-60平方厘米的有效散热器面积。

图11：结温和长度的关系

　　而散热器的材料通常是用铝合金，和铜相比，虽然其热传导只有铜的一半，但是它重量轻、易加工、价格便宜，所以还是广泛地应用于散热器之中。

　　为了加大散热面积，通常会采用增加高度的方法。但是，高度增加到一定程度以后其作用会越来越小。图12表明增加高度对于降低结温的影响的一个例子。

图12：LED结温随散热器的高度增加而降低

　　由图中可以看出，高度增加到40mm以后，结温的降低就很慢了。

　　加大长度也是加大面积的一个方法。但是并不是长度越长越好。

　　由图中可知，长度增加到一定程度以后，结温不但不再降低，反而会升高。这是因为空气在沿长度方向的流动受到阻碍所致(主要对于垂直放置的鳍片为如此)。

　　所以对于散热器来说，除了加大面积以外，如何加速空气的对流是很重要的事，尤其是像LED路灯这类安装在室外的路灯更为重要。由于室外的风向是不定的，为了在各种风向情况下都能有很好的对流，最好采用针状鳍片散热器。但这也减小了其等效散热面积很大的百分比。

　　珠海南科首次把针状散热器应用至LED路灯中，据说这可以使LED的结温降低15度以上，提高了LED的寿命。

　　路灯散热器往往由于灰尘和鸟粪的积累而使其散热效果大为降低，所以通常采用朝下安装的方法来避免，但是这样做又会使空气对流的效果降低，因为热空气是向上流动的。通常要在安装时有一个倾斜角来改善。

　　九．采用强制风冷散热