LED熱特性實(shí)際應(yīng)用關(guān)鍵性能探討

必須清楚地了解LED內(nèi)部從PN結(jié)到環(huán)境的熱特性，從而確保得到一個(gè)安全，可靠的設(shè)計(jì)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(gè)導(dǎo)熱界面，并且它們的厚度和熱阻很難在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)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(jìn)一步增加了設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)性。必須在樣機(jī)階段盡可能早地了解LED的熱阻值。

　　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(huì)使LED產(chǎn)生更多的光。但當(dāng)前向電流保持不變，光輸出會(huì)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(gè)LED相關(guān)的顏色光譜在峰值波長(zhǎng)處的偏移。用于普通照明的單色LED，藍(lán)色光譜的峰值會(huì)發(fā)生偏移，因此改變了LED所謂的色溫。這會(huì)對(duì)LED照明空間內(nèi)的感官產(chǎn)生影響。

　　像很多其它產(chǎn)品一樣，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)度量參數(shù)效能有密切關(guān)系，它是一個(gè)關(guān)于有用性的*價(jià)指數(shù)，可感知的光除以提供的電功率的比值。效能被用于*估不同光源的優(yōu)劣。不幸的是LED的效能會(huì)隨著LED結(jié)溫的增加而下降。預(yù)測(cè)LED的輸出光通量是照明設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)LED燈大約50%的結(jié)點(diǎn)至環(huán)境的熱阻由LED封裝所引起。

　　傳統(tǒng)的LED標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)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(shí)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(huì)比實(shí)際熱阻值要低。如果實(shí)際的熱阻值更高，則相應(yīng)的LED結(jié)溫也會(huì)更高，從而造成發(fā)出的光通量不夠。所以，了解真實(shí)的LED熱特性參數(shù)是非常重要的。

　　測(cè)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(guò)觀察電壓降可以精確地推算出溫度的變化。為了很好地進(jìn)行這個(gè)測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)的硬件和軟件必須滿足一定的要求。 例如Mentor Graphics的MicReD商業(yè)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)就是滿足此類要求的典型設(shè)備。

　　圖3描繪了此類測(cè)量裝置的簡(jiǎn)圖（不成比例）。測(cè)量的第一步是確定前向電壓在一個(gè)非常小的電流下的溫度敏感性，這個(gè)小電流可以是傳感器或測(cè)量電流。之后，LED被施加一個(gè)大電流，從而使其變熱。接著停止施加大電流，并且很小的傳感器電流再次出現(xiàn)，同時(shí)用一個(gè)高采樣率完成前向電壓的測(cè)量，直至LED結(jié)溫完全趨于穩(wěn)定。由于LED快速的熱響應(yīng)，所以測(cè)量的硬件設(shè)備必須能夠捕捉LED電流停止施加后幾微秒內(nèi)的溫度（電壓）改變。如圖3所示，被測(cè)量的LED處于一個(gè)封閉空間內(nèi)，這個(gè)封閉空間是JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的自然對(duì)流腔，它提供了一個(gè)沒有氣流流通的環(huán)境。T3STer也可以提供類似的裝置。表格1歸納了測(cè)試步驟。

　　在電子行業(yè)，術(shù)語(yǔ)“Z”代表阻抗，在我們的例子中代表熱阻抗。在熱阻抗的曲線中，其表示溫差除以熱功耗的值。因此，圖4中的Z曲線表述了對(duì)于1W熱功耗的溫度改變。

　　熱阻抗曲線Zth總體來(lái)看比較平滑，但局部還是有波動(dòng)，工程師需要解釋其中的原因。而且它是由大量密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)所構(gòu)成，所以潛在的信息非常豐富。集成先進(jìn)應(yīng)用數(shù)學(xué)且功能強(qiáng)大的熱測(cè)試系統(tǒng)可以提供非常有用的Zth 和時(shí)間曲線的分析變換。