LED的電學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)特性研究

　　5. 應(yīng)用實(shí)例

　　我們研究了如圖8 所示的RGB LED 模塊。模塊中的三個(gè)LED 采用的都是標(biāo)準(zhǔn)封裝。甚至在此例中綠光LED 和藍(lán)光LED 的結(jié)的結(jié)構(gòu)都是非常相似的。

圖8：研究對(duì)象LED 模塊

　　5.1 測(cè)試

　　我們不但進(jìn)行了單獨(dú)的熱瞬態(tài)測(cè)試還進(jìn)行了熱-光協(xié)同測(cè)試。熱瞬態(tài)測(cè)試在JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試箱和附加冷板兩種不同的條件下進(jìn)行。圖9 顯示的是在冷板（Gdriv_CP）上和在靜態(tài)測(cè)試箱（Gdriv）中測(cè)得的綠光LED 在驅(qū)動(dòng)點(diǎn)附近的熱阻特征。在圖中可以看到在什么溫度下以及在熱阻值是多少時(shí)，熱流路徑產(chǎn)生分離。這個(gè)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了我們前面的論述：在LED 封裝內(nèi)部可以假設(shè)熱沿著唯一的通道從結(jié)流向其熱沉。

　　圖中同樣可以讀出在靜止空氣中的對(duì)流熱阻。在使用冷板時(shí)，對(duì)流的作用可以忽略不計(jì)。GtoR 和GtoB 是用綠光LED 做加熱驅(qū)動(dòng)時(shí)測(cè)量的紅光LED 和藍(lán)光LED 特性曲線。

　　圖9：在靜態(tài)測(cè)試箱和冷板兩種條件下測(cè)得的LED 模塊的熱阻特性曲線（用綠光LED 做加熱熱源，同時(shí)測(cè)量了三個(gè)LED）

　　我們還在積分球中進(jìn)行了LED 發(fā)光效率的測(cè)試。發(fā)現(xiàn)綠光LED 的發(fā)光效率會(huì)隨著冷板溫度的升高而下降，這與圖6 顯示的情況類似。

　　LED 封裝的DCTM 模型可通過(guò)2.1 節(jié)中講到的流程來(lái)生成，此模型可用于LED 的板級(jí)熱仿真分析。對(duì)于用于電-熱仿真工具的LED 模型，模型中的電模型部分用的是標(biāo)準(zhǔn)化的LED 電模型，其參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際LED元件的特性參數(shù)來(lái)確定。

　　5.2 仿真

　　我們建立了這個(gè)包含三個(gè)LED 封裝的LED 模塊的熱模型：用3*3mm 的方塊來(lái)代替實(shí)際器件圓型的管腳，在笛卡爾坐標(biāo)系中即可建立LED 模塊的近似幾何模型。如下圖所示的考爾型RC 網(wǎng)絡(luò)模型即是我們用來(lái)描述LED 封裝的DCTM 模型。

　　把三個(gè)LED 封裝安裝在面積為30*30mm^2、厚度為2.5mm 的鋁基板上構(gòu)成我們研究的LED 模塊。通過(guò)把模塊安裝到冷板上進(jìn)行測(cè)試，我們已經(jīng)得到了模塊的熱模型。為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，我們?cè)陟o態(tài)測(cè)試箱這個(gè)環(huán)境下對(duì)LED 模塊進(jìn)行了仿真分析，而前面我們也已經(jīng)完成了靜態(tài)測(cè)試箱環(huán)境下的測(cè)試工作。通過(guò)仿真與實(shí)測(cè)的對(duì)比即可驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

圖10：用綠光LED 做加熱熱源時(shí)，處于靜態(tài)測(cè)試箱中的三個(gè)LED 的熱阻特性曲線

　　圖11：綠光LED 做加熱熱源時(shí)，表示處于靜態(tài)測(cè)試箱中的LED 模塊驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的熱阻特征的時(shí)間常數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果（上）和仿真結(jié)果（下）

　　從圖10 中我們可以看出仿真得出的熱阻特性曲線和圖9 中所示的實(shí)測(cè)曲線非常相近。仿真同樣也準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了綠光LED 與其他兩顆LED 之間的熱延遲現(xiàn)象：藍(lán)光和紅光LED 的結(jié)溫在1s 以后才開(kāi)始升高。從圖11 中表征驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的熱阻特性的時(shí)間常數(shù)來(lái)看，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果也是高度吻合的。

　　從圖9 同時(shí)可以看出，表示封裝內(nèi)部各組分的時(shí)間常數(shù)應(yīng)該位于10s 以內(nèi)。10s 以外的時(shí)間常數(shù)表示的是LED 封裝外的散熱環(huán)境（靜態(tài)測(cè)試箱中的MCPCB）。

　　6.小結(jié)

　　本文討論了不同結(jié)構(gòu)下LED 以及LED 組件的測(cè)試和仿真技術(shù)。在測(cè)試中，我們成功的應(yīng)用了一種熱-光協(xié)同測(cè)試方法，用這種方法可以分辨出在LED 工作時(shí)真正起到加熱LED 結(jié)的熱量的大小。同樣的測(cè)試設(shè)置，還可用來(lái)測(cè)LED 的發(fā)光效率以及它的一些基本電學(xué)參數(shù)，這是因?yàn)檫@些參數(shù)都是其結(jié)溫的函數(shù)。同時(shí)介紹了一種利用熱瞬態(tài)測(cè)試結(jié)果直接生成LED 的CTM 簡(jiǎn)化熱模型的方法。
文中成功的把芯片級(jí)的電-熱協(xié)同仿真方法推廣到了板級(jí)仿真。在進(jìn)行板級(jí)仿真時(shí)，成功的應(yīng)用了LED封裝的CTM 模型。

　　7 .聲明

　　本文的部分工作受到了匈牙利政府AGE-00045/03 TERALED 項(xiàng)目的資助。