経験則は素晴らしいです。これらは、実際に計算を行った人々から引き継がれる傾向があり、一般的には他の人が仕事をより良く、より速く行えるようにします。それでも、特定の経験則を習慣になるほど頻繁に使用すると、なぜこれが最善の解決策と見なされるのか疑問に思うようになります。自分で計算する時間になります。
あるいは、私の場合は、消火器を探してたくさんのグラフを作る時間になります。
経験則
私の仕事のほとんどは、小型のボード上で比較的高い電流を扱うことです。 LED電源 は、効果的な設計のために数アンペアを供給する必要があり、 LED 自体もその電流に耐えられる必要があります。銅トレースのサイズなどを決めることは、確かに システムに悪影響を与えないようにするための戦術ですが、私の設計で最も重要な部分は常に 熱管理です。切り替えであっても MOSFET ドライバーまたは 照明モジュール 1アンペア以上で動作できるLEDの場合、発生した熱をコンポーネントパッケージから排出し、熱源や隣接するコンポーネントから安全に遠ざける必要があります。私が使用する経験則は、熱を発生するコンポーネントの下の銅の流し込みをできるだけ大きくし、パッケージ上の最大のパッドの下にいくつかのサーマルビアを追加することです。ほとんどのLEDプロジェクトは、適切な金属から恩恵を受けるでしょう。 ヒートシンクしかし、予算やスペースを考慮すると、実際にはそれが難しい場合がよくあります。
テスト
私は照明用LEDの熱管理に私が目にした4つの方法を表すPCBを作成しました。LEDは電流制限で動作できるため、他のコンポーネントよりも簡単でした。 ベンチトップ電源 追加の回路は必要ありません。
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ボードは1cm×2cmと非常に小さく、それぞれに同一の電源/グランドパッドがあり、 XLAMP照明LED から クリー語 それらの中心に位置します。
また、各LEDの中央パッドに熱テスト ポイント パッドを取り付けて、熱電対を取り付けるための均一なスポットを確保しました 。ボードの名前は、No Relief (6milのトレースでLEDにサーマル リリーフがまったくない)、Copper Relief (幅広のトレースとサーマル パッドに接続されたフルボード銅箔)、Copper Relief +10 (銅リリーフと同じですが、パッドの下に10個のサーマル ビアがあります)、およびExtreme Thermal Vias (ボードに収まる限り多くのサーマル ビアを備えた銅リリーフ) です。
テストでは、各ボードに2つの熱電対を使用しました。1つは熱テスト ポイント (T2) に接続され、もう1つはボードの下のLEDの後ろ (T1) に接続されています。ボードには、t = 0で電流制限電源から0.5Aが供給されました。10分後に電流は1Aに増加し (これらのLEDは1.5Aを処理できます)、20分後に電源がオフになりました。10分は、システムの温度を特定の電流で安定させるには技術的に十分な時間ではありませんが、ボード間の熱戦略を比較するには十分な時間です。
結果（ボードのみ）
このLEDのデータシートによると、最大接合部温度は150 ℃ です。接合部はパッケージ内にあるため、テスト ポイントの最大温度は少なくとも数度は低くなります。ご覧のとおり、逃げのないボードはこのテストに完全に不合格です。実際、318 ℃ まで加熱すると、シリコン ドームはかなりひどく燃え、PCBのコーティングが煙を出し始めました。これは劇的で少し怖かったですが、最も重要なことは、実際にこれを実行した場合、LEDの使用可能寿命が大幅に短くなることです。銅を少し追加するだけでも最大温度は大幅に下がりますが、温度を制御するにはサーマル ビアが最も役立つようです。10個を超えるビアを追加しても熱性能が大幅に向上せず、パッド下のビアを数個追加した場合と同じピーク温度になったことに、正直驚きました。
結果（ヒートシンク付きボード）
すべてのボードをテーブルの上に置いた状態でテストした後、接着剤が組み込まれた 35mm角のヒートシンク で各ボードを再テストしました。
これは最適なパッシブ熱ソリューションです。システムに空気を吹き付けると非常に効果的ですが、 ファン を回転させるには電力が必要であり、パッシブ冷却ではなくアクティブ冷却と見なされます。
ああ、ヒートシンクの素晴らしさ。銅のリリーフなしでボードに何らかのリリーフを追加するだけで、最大温度が100oC以上下がります。それでもLEDに指定された最大接合部温度を大幅に上回っており、設計としては良くありませんが、最悪のボード設計でも必要に応じて緩和できることを証明しています。他のボードのパフォーマンスも同様に優れており、サーマルビアのないボードでも最大温度は100oCを大きく下回り、選択したLEDに対して安全であると見なされています。私はまだ手を出さないつもりですが、この気温では火事は起きないでしょう。
最大接合部温度は150oCですが、これらのLEDのデータシートには、温度が75oCを超えると光度が100% 未満に低下し始めると記載されています。これはすべての設計で問題になるわけではありませんが、ほとんどのLEDプロジェクトは効率に重点を置いています。このラインより下にきれいに収まる唯一の設計は、ヒートシンクにサーマルビアを備えた設計です。
結論
熱を逃がさずにLEDや電源装置を稼働させるとうまくいかないということは、誰もが同意すると思います。 適切に設計されたボードはすべて、ヒートシンク付きのリリーフのないボードよりも単独で優れたパフォーマンスを発揮しましたが、これは予想通りでした。ヒートシンクの有無にかかわらず、パッケージ上の最大のパッドの真下にビアを配置した設計は、ボードに収まるすべてのビアを配置した設計とほぼ同じパフォーマンスを発揮します。ビアの作成は無料ではないため、選択的に配置されたいくつかのビアの方が、最終的なボードとして作成した怪物よりもコスト効率が高くなります。経験則が当てはまり、設計と熱の両方の効率を最大化するには、ボードを貫通してヒートシンクにいくつかのサーマルビアを配置することが常に最善の策であることが、疑いの余地なく検証されました。