簡析LED照明在實際應(yīng)用中的熱特性

引言

　　每個設(shè)計師只有清楚地了解LED內(nèi)部從PN結(jié)到環(huán)境的熱特性，才能確保得到一個安全，可靠的設(shè)計和令人滿意的性能。

　　在熱流路徑中可能有裸芯片或膠層等多個導(dǎo)熱界面，并且它們的厚度和熱阻很難在生產(chǎn)過程中進行控制。此外，在LED封裝和作為散熱器的照明設(shè)備外殼之間的導(dǎo)熱界面進一步增加了設(shè)計的挑戰(zhàn)性。必須在樣機階段盡可能早地了解LED的熱阻值。

　　1 電流、顏色和效能

　　LED的光輸出特性主要取決于其工作條件。前向電流增加會使LED產(chǎn)生更多的光。但當(dāng)前向電流保持不變，光輸出會隨著LED的溫度升高而下降。圖1描述了溫度，電流和光輸出的關(guān)系。并且描述了一個LED相關(guān)的顏色光譜在峰值波長處的偏移。用于普通照明的單色LED，藍色光譜的峰值會發(fā)生偏移，因此改變了LED所謂的色溫。這會對LED照明空間內(nèi)的感官產(chǎn)生影響。

圖1 電流和溫度依賴于一個LED光輸出中光譜強度分布

像很多其它產(chǎn)品一樣，照明系統(tǒng)設(shè)計時也要權(quán)衡成本和性能。功率分配及因此產(chǎn)生的散熱需求很大程度上是由LED的能量轉(zhuǎn)換效率所決定。其定義為發(fā)出的光能和輸入電功率的比值。能效值與另一個度量參數(shù)效能有密切關(guān)系，它是一個關(guān)于有用性的評價指數(shù)，可感知的光除以提供的電功率的比值。效能被用于評估不同光源的優(yōu)劣。不幸的是LED的效能會隨著LED結(jié)溫的增加而下降。預(yù)測LED的輸出光通量是照明設(shè)計的最終目標(biāo)。提供有效散熱的熱管理解決方案可以在LED實際應(yīng)用中產(chǎn)生更多一致顏色的光通量。

　　熱量從LED封裝芯片開始傳遞，相關(guān)的數(shù)據(jù)由供應(yīng)商提供。圖2中顯示的是常見的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)。一個LED燈大約50%的結(jié)點至環(huán)境的熱阻由LED封裝所引起。

圖2 功率LED的典型熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的LED標(biāo)準(zhǔn)需要進一步地完善。相關(guān)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在起草，但LED供應(yīng)商仍然以不同方式定義它們產(chǎn)品的熱阻和其它與溫度相關(guān)的特性參數(shù)。例如，當(dāng)確定LED熱阻時忽略了作為條件變量的輻射光功率，那么得到的熱阻值將會比實際熱阻值要低。如果實際的熱阻值更高，則相應(yīng)的LED結(jié)溫也會更高，從而造成發(fā)出的光通量不夠。所以，了解真實的LED熱特性參數(shù)是非常重要的。

　　2 測量：溫度比光通量更重要

　　假設(shè)LED的溫度與其兩端的前向電壓降成線性關(guān)系。因此，通過觀察電壓降可以精確地推算出溫度的變化。為了很好地進行這個測試，測試系統(tǒng)的硬件和軟件必須滿足一定的要求。例如MentorGraphics的MicReD商業(yè)自動化測試系統(tǒng)就是滿足此類要求的典型設(shè)備。