功率LED熱設計關(guān)鍵之如何針對熱阻進(jìn)行熱管理

眾所周知，LED的發(fā)光特性與其工作條件有很大關(guān)系。應用在LED上的前向電流是主要的影響因素，電流越高，LED產(chǎn)生的光通量也越多。令人感到遺憾的是，LED是由一個(gè)恒定的電流源進(jìn)行驅動(dòng)的，當 LED的溫度上升時(shí)，它的光輸出也會(huì )急劇下降。圖1所示的是常見(jiàn)的 LED 基本參數對于輸出光譜的影響。此外，本圖也說(shuō)明了 LED的效率和發(fā)光顏色也會(huì )在峰值波長(cháng)處發(fā)生偏移。

　　LED 熱特性的重要性

　由于 LED 的光輸出會(huì )隨著(zhù)溫度發(fā)生變化， 所以良好的熱管理是功率LED照明應用的一個(gè)重要問(wèn)題。通過(guò)降低LED的溫度，我們可以使其保持較高的效率。在實(shí)際的應用環(huán)境中，LED溫度越低，其輸出的流明也越多。

　　這就意味著(zhù)在LED在實(shí)際應用中， 其結點(diǎn)至環(huán)境的真實(shí)熱阻是LED照明設計的一個(gè)重要因素。令人感到遺憾的是，不同LED供應商提供的產(chǎn)品熱阻和其它與溫度相關(guān)的特性參數五花八門(mén)。因此，不同的熱標準機構也已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行LED熱管理的相關(guān)標準制定工作?，F今，JEDEC JC15協(xié)會(huì )正在起草一部關(guān)于LED熱阻測量的新標準。此外，國際照明協(xié)會(huì )（International Lighting Committee）成立了兩個(gè)新的技術(shù)協(xié)會(huì )（TC-2-63 和 TC-2-64），以處理LED熱方面的問(wèn)題。在這些協(xié)會(huì )之間逐漸達成了一個(gè)共識，那就是供應商在采用公式1計算LED熱阻時(shí)， 必須考慮實(shí)際的光功率Popt （換而言之， 輻射光通量） ：

　　公式中 LED前向電流和前向電壓（IFxVF）的乘積是LED工作所需要的電功率，Tj是 LED的結溫變化量。

　　當確定 LED熱阻的時(shí)候忽略光功率會(huì )得到比 LED實(shí)際應用更低的熱阻。如果 LED照明設計師使用這些數據去計算 LED燈的光輸出量，其結果是他們的設計往往無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際的光輸出量的要求。實(shí)際情況中的熱阻會(huì )更高，相應地LED結溫也會(huì )更高。由此，實(shí)際 LED 照明設備發(fā)出的光通量會(huì )比預期要低。 獲取 LED實(shí)際的熱特性數據是成功設計LED的關(guān)鍵。

　　熱特性：仿真和物理測試

　　熱仿真可以幫助設計師了解他們LED產(chǎn)品的散熱狀況。 因為 LED 光源發(fā)出的熱量一般都通過(guò)自然對流的方式進(jìn)入到周?chē)h(huán)境中，CFD分析工具是用以確定不同設計方案散熱性能所必須的。

　　圖 2顯示了在 JEDEC 標準自然對流測試環(huán)境中的一個(gè)改進(jìn)MR16 LED燈的熱仿真結果。

　　為了建立精確的熱仿真模型，所以必須確定實(shí)際應用中的LED熱阻值。實(shí)際應用中的LED熱阻值通?？梢杂?Tr3ster 等測量?jì)x器完成。 Tr3ster 是 Mentor Graphics MicReD團隊開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。圖3 是圖 2中 LED熱測試所使用的測試設備。

　　圖 4是由 Tr3ster 熱瞬態(tài)測試儀測量得到的LED結溫和 Zth的關(guān)系曲線(xiàn)。這個(gè)測試結果可以被用于獲得LED導熱路徑上的詳細結構信息，這里所指的導熱路徑主要是指LED的 PN 結至環(huán)境之間的熱量傳遞路徑。這些詳細的結構信息以熱阻和熱容的關(guān)系曲線(xiàn)形式描述。這類(lèi)曲線(xiàn)也被稱(chēng)之為結構函數。結構函數可以幫助設計師確定整個(gè)LED散熱設計的每一部分的熱阻，其中包括了 LED 結點(diǎn)，TIM，散熱器或者照明設備。

　　圖 5顯示了整個(gè)LED 照片設備中結點(diǎn)至環(huán)境總熱阻的 50%是由于LED自身所引起的。結構函數不僅僅能幫助結構分析（例如，die attach失效探測） ，而且可以幫助生成封裝元件動(dòng)態(tài)的簡(jiǎn)化熱模型。這類(lèi)簡(jiǎn)化模型可以直接被 CFD軟件所使用。 （一些半導體供應商也已經(jīng)開(kāi)始提供它們產(chǎn)品熱性能的瞬態(tài)模型）

　　熱和光度聯(lián)合測量

　　圖 4和圖 5提供了一些對于解釋非常有用的對比結果，而且對于實(shí)際的設計工作而言，熱特性數據是必須的。所以，當計算實(shí)際的熱阻值時(shí)，必須清楚地了解 LED的光功率。

　　為了獲得這方面的信息，一個(gè)熱測試設備（符合應用熱測試標準［3］）必須具備測試LED光功率的功能。LED光功率測試必須遵從 CIE協(xié)會(huì )的相關(guān)標準［4］。圖 6是這樣一個(gè)測試系統的描述。Tr3ster 熱測試儀器對處于TERALED系統中的被測試 LED提供一個(gè)電功率，TERALED 是一個(gè)由累計球和探測器組成的自動(dòng)光度測量裝置。另外，整個(gè)系統中還包括電控制和測試數據處理軟件。LED 助推器（圖 6左邊的小盒子）讓系統測試多芯片高前向電壓（VF》10V）的LED。

　　通過(guò) Tr3ster 對 LED進(jìn)行測量， 我們可以在獲得 LED熱阻的同時(shí)， 也獲得輻射通量，光通量，光輸出特性，染色性等數據。我們可以在不同的參考溫度和前向電流條件下，測量這些 LED特性值。 在光度測量過(guò)程中加入熱瞬態(tài)測試不會(huì )明顯增加測試時(shí)間。如今功率LED在被貼附到冷板之后，通?？梢栽?30~60S 之內達到穩定的溫度。所以，光度測量過(guò)程中包含熱瞬態(tài)測試不會(huì )增加許多測試時(shí)間。

　　參考溫度的影響

　　比較棘手的是，LED 總的熱阻值與環(huán)境溫度有很大的關(guān)系。這就意味著(zhù)當預測 LED散熱性能時(shí)，必須注明測試環(huán)境（參考溫度） 。如果光度測量和熱阻測量同時(shí)進(jìn)行，則參考溫度就是冷板的溫度。

　　LED說(shuō)明書(shū)中的數據是基于環(huán)境溫度25oC，但往往 LED的實(shí)際工作環(huán)境溫度為50oC，最高甚至可以達到 80oC。其結溫的范圍可能在80oC~110oC的范圍。較高的 LED工作溫度會(huì )導致LED 光通量的大幅下降。

　　圖 7顯示了 Cree MCE系列白色LED光通量和參考溫度的關(guān)系，這些測試主要基于兩種不同的散熱設計方案。測試主要由兩塊不同的 PCB，一個(gè)金屬芯片和 FR4裝置所組成。此外，PCB和散熱器之間使用了不同的導熱界面材料。當散熱器溫度不斷增加，光通量不斷下降。

　　因為兩次測試使用一樣的LED，所以預計的測試結果是兩條平行的曲線(xiàn)，但實(shí)際情況并非如此?？偟慕Y點(diǎn)至環(huán)境的熱阻也隨著(zhù)參考溫度的變化而變化。圖8的結構函數也表明熱流路徑隨溫度變化。其中最初的1.5K/W的熱阻是有 LED 內部封裝所引起的。之后的熱阻部分對應于PCB和位于PCB與LED封裝之間的TIM材料。 最后一部分是PCB與散熱器之間的導熱界面材料。在TG2500 樣品的測試中，兩層 TIM 材料都顯示出其熱阻與溫度有很大關(guān)系， 從而導致了總熱阻有20%的變化。 圖8中的結構函數被對應到LED的各個(gè)組成部分。

　　光通量是真實(shí)結溫的函數

　　一旦獲得了 LED每一個(gè)參考溫度下的熱損耗和參考溫度值，通過(guò)公式 2可以計算出實(shí)際 LED 結溫：

　　其中，Pheat=IFxVF（Tref）-Popt（Tref）也是公式 1中使用的，RthJA是測量的熱阻值。如果將圖 7中的測試數據進(jìn)行重新處理，將光通量作為 LED 結溫的函數，我們發(fā)現兩種測試的結果幾乎一致（如圖9所示） 。兩條幾乎重合的光通量和結溫的曲線(xiàn)表明，在我們兩種測試中 LED芯片和其封裝有著(zhù)一樣的光輸出特性。

　　其中，Pheat=IFxVF（Tref）-Popt（Tref）也是公式 1中使用的，RthJA是測量的熱阻值。如果將圖 7中的測試數據進(jìn)行重新處理，將光通量作為 LED 結溫的函數，我們發(fā)現兩種測試的結果幾乎一致（如圖9所示） 。兩條幾乎重合的光通量和結溫的曲線(xiàn)表明，在我們兩種測試中 LED芯片和其封裝有著(zhù)一樣的光輸出特性。

　　結論

　　溫度是 LED照明設備性能的一個(gè)重要影響因素，不僅僅影響其預期工作壽命而且決定其工作性能。更低的工作溫度可以獲得更多的光通量。由于絕大多數的LED 供應商沒(méi)有將 LED 熱阻測試和光度測試同時(shí)進(jìn)行。所以，如今的 LED說(shuō)明書(shū)中無(wú)法提供 LED 真實(shí)的熱阻值。因此，LED供應商提供的熱阻值要比 LED 實(shí)際應用中的熱阻值要低。如果想要通過(guò) CFD仿真的方式獲得 LED的熱性能，那么知道 LED的真實(shí)熱阻值是必須的。如果沒(méi)有這方面的信息，那么結合光度測量和熱瞬態(tài)測試，并且再進(jìn)行一些測試數據處理就可以獲得熱阻的相關(guān)信息。

　　很少有 LED說(shuō)明書(shū)會(huì )注明各種溫度下光輸出特性。 通過(guò)確定測試中 LED的熱阻和熱損耗，可以將光輸出特性描述成真實(shí)結溫的函數。這就可以消除測試過(guò)程中不同環(huán)境溫度對于實(shí)際熱阻的影響。當光輸出特性可以與實(shí)際的結溫相對應，那么精確地比較不同的 LED照明設備也就成為可能。