熱設計與測試：實(shí)現可靠 SSL 的關(guān)鍵因素

與向外輻射熱量的白熾燈不同，LED產(chǎn)生的熱量必須以傳導的方式從這些半導體器件散播出去。如果沒(méi)有合適的熱管理，LED光能輸出會(huì )減少，主波長(cháng)和峰值波長(cháng)則會(huì )增加，而色溫也會(huì )發(fā)生變化。對于確保固態(tài)照明（SSL）燈具的功效和平均壽命而言，解決這些熱學(xué)難題至關(guān)重要。

溫度效應
如果對熱設計進(jìn)行適當注意，LED的壽命可以遠遠超過(guò)5萬(wàn)小時(shí)（見(jiàn)圖1）。不過(guò)，除了縮短工作壽命之外，溫度的升高還會(huì )降低LED的性能。隨著(zhù)溫度的升高，相對光通量（光輸出）會(huì )減少（見(jiàn)圖2）。對于某些LED而言，當外殼溫度達到130℃時(shí)，根據色溫額定值的不同，輸出將減少80%或更多。

圖1 隨著(zhù)電流的增大，需要更低的結點(diǎn)溫度才能實(shí)現更長(cháng)的工作壽命

圖2 隨著(zhù)熱襯墊（外殼）溫度的增加，光的相對輸出量會(huì )降低

LED的臨界溫度——結溫——于封裝的深處測得，遠離芯片的表面。因為結溫不容易進(jìn)行測量，所以通常都是讀取封裝（或外殼）溫度，然后計算得到實(shí)際的結溫。對于某些LED而言，最高結溫可高達150℃，而正常的工作外殼溫度則在-40～135℃之間。每家LED制造商都會(huì )確定各自的LED最高結溫，對于新推出的器件，這個(gè)數值在不斷增加。

測量和管理
在美國能源部所發(fā)布的《LED照明器具可靠性報告》中，作者指出，LED照明器具的壽命并不等同于所估計的LED壽命。因此，他們強調，需要理解溫度的測量方式以及其對系統預期壽命的影響。集中定位的溫度傳感器不足以監測、探測和保護多重LED設計。

美國電氣制造商協(xié)會(huì )標準《用于照明器具的固態(tài)照明配件接口的推薦標準》中的“NEMA LSD 45-2009”提供了用于LED溫度測試點(diǎn)的詳細推薦方案。采用擺放位置合適的溫度傳感器，就可以通過(guò)增加的電路來(lái)測量、監測和控制溫度。增加的電路會(huì )增大SSL設計的復雜程度，但同時(shí)也會(huì )提高照明器具的性能、可靠性和壽命。

盡管熱管理對于SSL電子部分至關(guān)重要，但熱設計卻是影響燈具美觀(guān)的重要因素之一。照明器具設計者所面臨的挑戰就是使鋁外殼給人以美感。熱管理和散熱器結合起來(lái)，確保了高性能和長(cháng)期可靠性，使得SSL成為高能源效率照明的理想技術(shù)。

熱測試是SSL燈具設計的一項重要因素。需要令人滿(mǎn)意地回答與熱性能有關(guān)的幾個(gè)問(wèn)題，其中包括：

● 熱設計足以確保燈源的功效嗎？

● 需要散熱器，或者照明器具結構確保了足夠的散熱嗎？

● 熱設計考慮到最壞的情況嗎？

要回答這些問(wèn)題，需要進(jìn)行詳盡的熱分析，并且可能需要多次迭代，以?xún)?yōu)化最終設計。這可能非常耗費時(shí)間，特別是在需要利用外包測試服務(wù)時(shí)。