簡(jiǎn)析LED照明在實(shí)際應(yīng)用中的熱特性

圖5 LED和光源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

函數(shù)從測(cè)試到模型結(jié)構(gòu)函數(shù)幫助工程師評(píng)估整個(gè)散熱路徑中的各個(gè)部分。重要的是它們可以幫助揭示設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，這些問(wèn)題可能影響設(shè)備的生產(chǎn)或可靠性。

　　3 從測(cè)試到模型

　　結(jié)構(gòu)函數(shù)可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成簡(jiǎn)化模型，也就是一個(gè)包含熱阻熱容的等效網(wǎng)絡(luò)，它包含了結(jié)構(gòu)函數(shù)圖形中所包含的所有數(shù)值。圖6描述了類似功率LED等半導(dǎo)體元件的一個(gè)通用模型。當(dāng)然，實(shí)際的模型中R和C會(huì)有具體的數(shù)值。

圖6 簡(jiǎn)約模型

　　借助瞬態(tài)熱測(cè)試得到的R/C網(wǎng)絡(luò)模型可以直接被用于熱設(shè)計(jì)工具中，在這些熱設(shè)計(jì)工具中對(duì)LED系統(tǒng)進(jìn)行熱仿真。為了滿足市場(chǎng)對(duì)于它們產(chǎn)品更多熱性能數(shù)據(jù)的要求，一些半導(dǎo)體供應(yīng)商開始使用瞬態(tài)模型去描述它們功率開關(guān)和類似產(chǎn)品的熱性能，這也為L(zhǎng)ED供應(yīng)商在將來(lái)也遵從這種做法提供了借鑒。

　　4 光度測(cè)量揭示LED的真實(shí)顏色

　　先前所有的努力使照明設(shè)備達(dá)到投放到市場(chǎng)的端口。然而，此時(shí)必須回答一個(gè)重要的問(wèn)題：當(dāng)照明設(shè)備工作在它規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，它預(yù)期發(fā)出多少光？在產(chǎn)品批量生產(chǎn)之前，必須提供樣機(jī)完整的光度和輻射特性。在現(xiàn)在自動(dòng)化工具的幫助下，熱和光測(cè)量可以被同時(shí)進(jìn)行。

　　為了同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，之前已經(jīng)解釋了熱測(cè)試必須與一個(gè)子系統(tǒng)相結(jié)合，這個(gè)子系統(tǒng)是滿足CIE1要求（參見備注）的條件下，用于測(cè)試LED光輸出。這個(gè)子系統(tǒng)包含了一個(gè)恒溫器（類似冷板）和探測(cè)器。兩個(gè)器件由特定的軟件進(jìn)行控制。一個(gè)完全整合的熱/輻射/光度測(cè)試系統(tǒng)可以描述照明設(shè)備的熱阻和光輸出特性，包括了輻射熱流（也就是輸出光功率），光通量和染色性。這些值可以在不同的參考溫度和前向電流條件下，同時(shí)得到測(cè)量。

　　重要的是，對(duì)于普通循環(huán)光度測(cè)試增加熱瞬態(tài)測(cè)試不會(huì)明顯增加測(cè)試時(shí)間。這是因?yàn)橘N附到冷板的功率LED結(jié)溫通常在30~60S之內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。LED熱阻測(cè)試之前的加熱過(guò)程，是一個(gè)相類似的過(guò)程。因此，加上熱測(cè)試的測(cè)試時(shí)間與僅僅光輸出測(cè)試的時(shí)間是一樣的；所有的這些特性必須在LED熱穩(wěn)定的條件下測(cè)量。

　　5 溫度：參考，周圍的，環(huán)境…

　　熱管理解決方案的結(jié)點(diǎn)至環(huán)境的熱阻很容易受到環(huán)境溫度的影響，從而使測(cè)試結(jié)果失真。因此當(dāng)預(yù)測(cè)照明設(shè)備熱性能時(shí)，測(cè)試環(huán)境溫度也就是參考溫度必須注明。但熱和光度/輻射測(cè)量被同時(shí)完成時(shí)，參考溫度就是冷板的溫度。

　　正如之前的解釋，LED特性的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作還在進(jìn)行，這也意味著供應(yīng)商在描述它們產(chǎn)品和提供相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)有很大的自由度。通常環(huán)境方面的信息不會(huì)得到重視。關(guān)于產(chǎn)品性能的數(shù)據(jù)可能是照明設(shè)備處于最佳照明時(shí)得到的，可以說(shuō)忽略了真實(shí)工作條件下的一些影響。例如，通常供應(yīng)商提供的LED數(shù)據(jù)是在25oC的環(huán)境溫度條件下，即便LED安裝在燈具中之后其安裝面的溫度為50oC，甚至80oC。在工作狀態(tài)下，實(shí)際的LED結(jié)溫可能處于80~100oC的范圍，從而引起光通量的急劇下降。

　　在圖7a中顯示了兩個(gè)同一廠商的兩個(gè)白色LED光通量和參考溫度的關(guān)系，這兩個(gè)LED具有不同的散熱方式。散熱方式1使用了一塊金屬的PCB板，而散熱方式2使用了傳統(tǒng)的FR4板。此外，兩個(gè)LED樣品的PCB板和散熱器之間使用了不同的導(dǎo)熱界面材料。

　　得到光通量和參考溫度的測(cè)試方法非常簡(jiǎn)單。測(cè)試時(shí)冷板直接影響LED的結(jié)溫。因此，通過(guò)改變冷板的溫度，可以觀察結(jié)溫變化對(duì)于光通量的影響。

　　圖7a中的兩個(gè)LED曲線并不完全平行。因?yàn)闇y(cè)試是基于同一類型的LED，所以人們可能希望兩個(gè)LED的性能是一致的。然而，請(qǐng)注意光通量和參考溫度的曲線圖。采用的導(dǎo)熱界面材料有著不同的溫度影響，從而對(duì)LED結(jié)溫產(chǎn)生不同的影響。不同冷板溫度下的結(jié)構(gòu)函數(shù)可以進(jìn)一步揭示這些影響的程度和產(chǎn)生位置。

　　很多的測(cè)試工作都是關(guān)于確定加熱功耗和每一個(gè)參考溫度下的熱阻值。如果具有這些信息，就可以計(jì)算相應(yīng)的LED結(jié)溫值。如果沒(méi)有進(jìn)一步的測(cè)試要求。工程師可以使用之前的信息，重新繪制LED結(jié)溫與光通量之間的關(guān)系。

　　基于真實(shí)的LED結(jié)溫，重新繪制曲線將消除光通量曲線斜率的偏差。圖7b描述了一組光通量和結(jié)溫的曲線，并且這里的真實(shí)結(jié)溫通過(guò)真實(shí)的加熱功率和真實(shí)的熱阻進(jìn)行計(jì)算得到?，F(xiàn)在對(duì)于同一供應(yīng)商的所有LED樣品，由前向電流值獲得的特性斜率是一致的。