PCB-Design für Hochleistungs-LED

Warum haben Sie sich für diese LED entschieden? Es ist für ein sehr spezielles Produkt konzipiert, das viele Lumen auf kleinem Raum benötigt, wie ein Scheinwerfer oder eine Straßenlaterne.

Sie müssen nicht alle 18,375 Watt (12,25 V bei 1,5 A) abführen, da etwa 45 % der elektrischen Leistung in Strahlungswatt (Licht) abgeführt werden, sodass nur 55 % der elektrischen Leistung als thermische Watt (Wärme) abgeführt werden müssen ).

Übrigens können Sie diese nicht mit 12 V und 1,5 A betreiben. Die typische V _f beträgt 12 V bei 1200 mA.

Ist es eine schlechte Idee, dies auf einem kleinen 2-Lagen-Breakout-Board zu platzieren? Ich habe vor, auf beiden Schichten eine Masseebene zu erstellen, aber ist dies ohne Kühlkörper oder Aluminium-Leiterplatte immer noch eine schlechte Idee?

Ja, es ist eine sehr schlechte Idee, eine kleine Platine ohne Kühlkörper zu verwenden.
Sie können 9 Watt nicht vernünftig über die Leiterplattenoberfläche abführen. Eine kleine Leiterplatte mit Kühlkörper ist kostengünstiger.

Dies ist eine kleine Platine, die mit Luxeon Rebel LEDs bestückt ist, die jeweils 1,5 Watt Wärme abgeben. Die Leiterplatte hat Rückseitenkupfer und thermische Durchkontaktierungen. LEDs sind 0,75 Zoll voneinander entfernt auf einem 0,7 Zoll breiten Streifen angeordnet.

Diese LED musste mit einem wassergekühlten Kühlkörper mit einer ausreichenden Wassermenge pro Minute gekühlt werden.

Hier befestigte ich die Platine an einer Kupferstange und befestigte die Stange an einem Kupferwasserrohr. Dies war eigentlich ein billiger Kühlkörper mit Materialkosten von etwa 3 $ pro Fuß. Das Bohren der Löcher und das Montieren der Kupferstange war arbeitsintensiv.

Ich habe die Leiste an der LED-Seite der Platine befestigt, um ineffiziente thermische Vias zu vermeiden.

Ich benutzte zwei (falls eine ausfiel) kleine (1 Gallone / Minute) Tauchwasserpumpen

Dies ist das beste passive Design, das zum Kühlen einer kleinen Leiterplatte verwendet wird, ein Streifen mit einer Breite von 9 mm (0,35 Zoll).

Ein 0,062 Zoll dicker Aluminiumstreifen mit einer Breite von 1,35 Zoll, der an der LED-Seite des wärmeverteilenden Kupfers montiert ist. Die LEDs zeigen nach unten und die Rippen nach oben. Dies kann auch verwendet werden, wenn die LEDs und Lamellen zur Seite zeigen.

Dieser 1" x 12" Kühlkörper kostet 5 $.

Ich würde vorschlagen, eine LED mit geringerer Leistung zu verwenden und die LEDs nach Möglichkeit zu verteilen. LEDs mit geringerer Leistung sind effizienter, wenn sie bis zu 80 % der elektrischen Leistung als Strahlungswatt abgeben können.

Ein Samsung LM301B mit mittlerer Leistung ist fast doppelt so effizient wie dieser Cree XHP50.

Die effizienteste Hochleistungs-LED ist die Cree XP-G3, aber nicht so effizient wie die mittelstarke LM301B, die die effizienteste weiße LED ist.

Die LM301B benötigen keinen Kühlkörper, wenn sie mit voller Leistung (200 mA) auf einem 1 Zoll breiten Streifen betrieben werden.

Diese Leiterplatte ist 100 mm x 100 mm groß und mit 45 Mid-Power-LEDs ausgestattet, die jeweils 1.700 Lumen bei 65 mA liefern. Dieses Board verbraucht insgesamt 8 elektrische Watt und erzeugt insgesamt etwa 2 thermische Watt. Kein Kühlkörper erforderlich.

Es geht um Immobilien. Müssen Sie wirklich all diese Lumen in einen winzigen Bereich stopfen?

Die Profis verwenden meistens Mid-Power-LEDs bei der Herstellung von Glühbirnen:

Watt sind Wandwatt

Das Paket für diese LED besteht aus zwei isolierten Strings mit jeweils zwei LEDs. In der „empfohlenen PCB-Lötpad-12-V-Konfiguration“ werden die beiden Stränge in Reihe durch das Wärmeleitpad verdrahtet, wie im Diagramm unten zu sehen ist. Die oberen und unteren Paare von Anoden- und Kathodenstiften sind nicht intern miteinander verbunden, sodass durch das empfohlene Layout kein „Kurzschluss“ entsteht.

Einzelheiten finden Sie auf Seite 32 des Datenblatts.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Um den zweiten Teil des zweiten Abschnitts Ihrer Frage anzusprechen:

$R_{j-a}$ist der thermische Widerstand von Junction zu Ambient.

Die unterschiedlichen Linien sind die Derating-Kurven für unterschiedliche thermische Gesamtwiderstände - da Sie eine bessere Wärmeableitung (niedriger$R_{j-a}$) auf Ihrer LED können Sie Ihre LED in einer höheren Umgebungstemperatur betreiben, bevor Sie den maximalen Strom, den Sie durch sie schieben, reduzieren müssen.

Ich würde mit dem unteren Pad auf Seite 31 gehen und Durchkontaktierungen verwenden, um die Wärme von den 8 Erdungspads zu einem großen Erdungspad unter dem Teil (gegenüberliegende Seite der Platine) zu leiten. Verwenden Sie außerdem ein Erdungspad um das Teil herum, um die Wärmeableitung zu unterstützen.

Sehen Sie sich die EIN-Eigenschaften dieses Transistors an - alles ist in mA angegeben. Dieser Teil wird bei 1,5 A verbrennen.

Verwenden Sie stattdessen einen N-Kanal-MOSFET mit niedrigem Rds und Logikpegel, z. B. AOD510 oder AOD514 von Digikey

https://www.digikey.com/products/en/discrete-semiconductor-products/transistors-fets-mosfets-single/278?k=aod5&k=&pkeyword=aod5&sf=0&FV=ffe00116&quantity=&ColumnSort=0&page=1&stock=1&pageSize= 25

Diese LED, die der OP ausgewählt hat, kann in meinem Designbeispiel unten mit 30 % Einschaltdauer bei 3 Ampere für einen Krankenwagen auf MCPCB mit akzeptablem Wärmeanstieg betrieben werden. Der Betrachtungswinkel bei 50 % beträgt 120 Grad anstelle von 160 Grad Lambertian. Es macht also ein gutes Flutlicht oder Weitwinkel mit etwa 50 % Verstärkung in der Linse oder ein Spotlicht im Nahbereich.

$R_{ja}=R_{jc}+R_{ca}$für den Wärmewiderstand des Kühlkörpers$R_{ca}$

Meine Faustregel für LEDs lautet, 100 cm²/W pro Watt Pd auf PCB-Kupferwärmeverteilung und 10 cm²/W für MCPCB zuzulassen.

Aber die Oberfläche des Wärmestrahlers macht einen großen Unterschied, besonders bei SOT23, die je nach Rce mehr Fläche benötigen, was ich später erkläre.

Aber Sie müssen den Gehäusetemperaturanstieg für ein gutes Design und Ta max für die interne Umgebung definieren, z. B. <30 °C Anstieg bei 30 °C oder <20 °C Anstieg bei 40 °C, um den maximalen LED-Strom und die Rca-Spezifikation zu bestimmen. Andernfalls "kann" eine höhere T akzeptabel sein, beeinträchtigt jedoch die Designqualität.

Add-on 2'C/W Heatsink ist besser für mehr Oberfläche.
MCPCB kann kostengünstiger sein als ein großer zusätzlicher Kühlkörper, je nachdem, welchen Fall Sie haben, der die Umgebungskühlung isolieren kann (Rja negativ beeinflussen).

Die Transistorauswahl kann schlecht sein , da Rce(sat) = 0,085 V_ce/1,4 A_ce = 60 mΩ (max) mit 0,14 A_be. (Ic/Ib=10 für opt. Vsat und =Ic/Ib=100 erhöht Rce auf 80 mΩ

also I²Rce= 1,4² 80 mA= 157 mW , Ra= FR−4 @ 100 mm² , 1 oz. Kupferspuren. NPN Rja 270'C/W also T Anstieg = 270 * 0,157W = 42'C Anstieg mit 100mm² Kupferwärmeverteilung.
Rce oder RdsOn des Treibers 10 mΩ ist 10/60 Ω, sodass die Kupferfläche auf 100/6 = 17 mm² reduziert werden kann.

Anekdotisch

Ich neige dazu, Designs wiederzuverwenden. Mit einer Bandsäge schneide ich große Arrays in Streifen aus einer Reihe von LEDs auf einer mit Alaun verkleideten Leiterplatte, die für Krankenwagen in Kanada verwendet wird. Beachten Sie den doppelseitigen Bereich pro LED. Die Oberfläche hat eine Epoxidbeschichtung über Kupferbahnen, die den Wärmewiderstand nicht beeinflusst. FR4 ist jedoch ein dicker thermischer und elektrischer Isolator. Die Stromversorgung über lange Kabel ist einfach, da der Ri jeder gepulsten 3-W-LED <300 mOhm beträgt, sodass der Drahtwiderstand einen Parallelbetrieb bei nahezu gleicher Abfallspannung mit AWG 16-Haushaltsdrahtverteilung um den Zaun ermöglicht. Streifen-LEDs sind einfacher zu installieren, aber weit weniger richtig, daher handelt es sich um lokale 1 bis 2 m große Scheinwerfer. Umgekehrte Montage an einer Abdeckung aus Zedernholz verbirgt die Lichtquelle. Da kein zusätzlicher Kühlkörper verwendet wurde, habe ich konservative Ströme für 1 W pro LED verwendet. (< 300mA) und sie sind nur bei freier Konvektionsluft handwarm, was einen Unterschied macht. (Die meisten LED-Chip-Deckenleuchten würden sich aufgrund fehlender Zwangsluft oder freiem Luftstrom über den Kühlkörper die Finger verbrennen, wenn Sie sie berühren könnten.)

Ich verwende sie für versteckte Leuchten rund um den Garten und sind mit 0,5 bis 1A sehr hell. Ich benutze einen variablen Spannungs-SMPS-Dimmer. Das Epoxid wird einfach mit einem Exacto-Messer entfernt und mit Magnetdraht verlötet, dann ein Klecks Polyurethan für eine Zugentlastung und einen Lötumgebungsschutz im Freien. Ich habe über 2K LEDs auf großen Array-Platinen fast umsonst 10 $ von einem Aluminiumschrottladen bekommen. Etwa 0,1 % der LEDs waren "fast schlecht" (geringere Intensität bei einer von 48). Diese wurden als Schrott verkauft. Sie haben sie von einem örtlichen Board-Shop bekommen. Also ... gehen Sie in Schrottläden in Großstädten und sagen Sie ihnen, dass Sie zukünftigen Schrott mit diesen komisch aussehenden schlechten LEDs kaufen werden. Diese haben Kunststofflinsen zur Strahlverengung für die Sichtbarkeit des Krankenwagens, aber sie sind großartige Scheinwerfer.