LED熱特性實(shí)際應用關(guān)鍵性能探討

必須清楚地了解LED內部從PN結到環(huán)境的熱特性，從而確保得到一個(gè)安全，可靠的設計和令人滿(mǎn)意的性能。在熱流路徑中可能有裸芯片或膠層等多個(gè)導熱界面，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備外殼之間的導熱界面進(jìn)一步增加了設計的挑戰性。必須在樣機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。但當前向電流保持不變，光輸出會(huì )隨著(zhù)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(cháng)處的偏移。用于普通照明的單色LED，藍色光譜的峰值會(huì )發(fā)生偏移，因此改變了LED所謂的色溫。這會(huì )對LED照明空間內的感官產(chǎn)生影響。

　　像很多其它產(chǎn)品一樣，照明系統設計時(shí)也要權衡成本和性能。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)度量參數效能有密切關(guān)系，它是一個(gè)關(guān)于有用性的*價(jià)指數，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(zhù)LED結溫的增加而下降。預測LED的輸出光通量是照明設計的最終目標。提供有效散熱的熱管理解決方案可以在LED實(shí)際應用中產(chǎn)生更多一致顏色的光通量。

　　熱量從LED封裝芯片開(kāi)始傳遞，相關(guān)的數據由供應商提供。圖2 中顯示的是常見(jiàn)的導熱結構。一個(gè)LED燈大約50%的結點(diǎn)至環(huán)境的熱阻由LED封裝所引起。

　　傳統的LED標準需要進(jìn)一步地完善。相關(guān)的工業(yè)標準正在起草，但LED供應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。例如，當確定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，則相應的LED結溫也會(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熱特性參數是非常重要的。

　　測量：溫度比光通量更重要

　　假設LED的溫度與其兩端的前向電壓降成線(xiàn)性關(guān)系。因此，通過(guò)觀(guān)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)測試，測試系統的硬件和軟件必須滿(mǎn)足一定的要求。 例如Mentor Graphics的MicReD商業(yè)自動(dòng)化測試系統就是滿(mǎn)足此類(lèi)要求的典型設備。

　　圖3描繪了此類(lèi)測量裝置的簡(jiǎn)圖（不成比例）。測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量電流。之后，LED被施加一個(gè)大電流，從而使其變熱。接著(zhù)停止施加大電流，并且很小的傳感器電流再次出現，同時(shí)用一個(gè)高采樣率完成前向電壓的測量，直至LED結溫完全趨于穩定。由于LED快速的熱響應，所以測量的硬件設備必須能夠捕捉LED電流停止施加后幾微秒內的溫度（電壓）改變。如圖3所示，被測量的LED處于一個(gè)封閉空間內，這個(gè)封閉空間是JEDEC標準的自然對流腔，它提供了一個(gè)沒(méi)有氣流流通的環(huán)境。T3STer也可以提供類(lèi)似的裝置。表格1歸納了測試步驟。

　　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(xiàn)中，其表示溫差除以熱功耗的值。因此，圖4中的Z曲線(xiàn)表述了對于1W熱功耗的溫度改變。

　　熱阻抗曲線(xiàn)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據點(diǎn)所構成，所以潛在的信息非常豐富。集成先進(jìn)應用數學(xué)且功能強大的熱測試系統可以提供非常有用的Zth 和時(shí)間曲線(xiàn)的分析變換。