簡(jiǎn)析LED照明在實(shí)際應用中的熱特性

圖5 LED和光源系統的結構

函數從測試到模型結構函數幫助工程師評估整個(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計中存在的問(wèn)題，這些問(wèn)題可能影響設備的生產(chǎn)或可靠性。

　　3 從測試到模型

　　結構函數可以進(jìn)一步轉變成簡(jiǎn)化模型，也就是一個(gè)包含熱阻熱容的等效網(wǎng)絡(luò )，它包含了結構函數圖形中所包含的所有數值。圖6描述了類(lèi)似功率LED等半導體元件的一個(gè)通用模型。當然，實(shí)際的模型中R和C會(huì )有具體的數值。

圖6 簡(jiǎn)約模型

　　借助瞬態(tài)熱測試得到的R/C網(wǎng)絡(luò )模型可以直接被用于熱設計工具中，在這些熱設計工具中對LED系統進(jìn)行熱仿真。為了滿(mǎn)足市場(chǎng)對于它們產(chǎn)品更多熱性能數據的要求，一些半導體供應商開(kāi)始使用瞬態(tài)模型去描述它們功率開(kāi)關(guān)和類(lèi)似產(chǎn)品的熱性能，這也為L(cháng)ED供應商在將來(lái)也遵從這種做法提供了借鑒。

　　4 光度測量揭示LED的真實(shí)顏色

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

　　為了同時(shí)進(jìn)行測量，之前已經(jīng)解釋了熱測試必須與一個(gè)子系統相結合，這個(gè)子系統是滿(mǎn)足CIE1要求（參見(jiàn)備注）的條件下，用于測試LED光輸出。這個(gè)子系統包含了一個(gè)恒溫器（類(lèi)似冷板）和探測器。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/光度測試系統可以描述照明設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)得到測量。

　　重要的是，對于普通循環(huán)光度測試增加熱瞬態(tài)測試不會(huì )明顯增加測試時(shí)間。這是因為貼附到冷板的功率LED結溫通常在30~60S之內達到穩定。LED熱阻測試之前的加熱過(guò)程，是一個(gè)相類(lèi)似的過(guò)程。因此，加上熱測試的測試時(shí)間與僅僅光輸出測試的時(shí)間是一樣的；所有的這些特性必須在LED熱穩定的條件下測量。

　　5 溫度：參考，周?chē)?，環(huán)境…

　　熱管理解決方案的結點(diǎn)至環(huán)境的熱阻很容易受到環(huán)境溫度的影響，從而使測試結果失真。因此當預測照明設備熱性能時(shí)，測試環(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?zhuān)琇ED特性的工業(yè)標準化工作還在進(jìn)行，這也意味著(zhù)供應商在描述它們產(chǎn)品和提供相關(guān)數據時(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)品性能的數據可能是照明設備處于最佳照明時(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，通常供應商提供的LED數據是在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(chǎng)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熱界面材料。

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

　　圖7a中的兩個(gè)LED曲線(xiàn)并不完全平行。因為測試是基于同一類(lèi)型的LED，所以人們可能希望兩個(gè)LED的性能是一致的。然而，請注意光通量和參考溫度的曲線(xiàn)圖。采用的導熱界面材料有著(zhù)不同的溫度影響，從而對LED結溫產(chǎn)生不同的影響。不同冷板溫度下的結構函數可以進(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，就可以計算相應的LED結溫值。如果沒(méi)有進(jìn)一步的測試要求。工程師可以使用之前的信息，重新繪制LED結溫與光通量之間的關(guān)系。

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