實(shí)際應用中LED熱特性關(guān)鍵性能探討
加入技術(shù)交流群
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。
Zth曲線(xiàn)圖中的數據使計算熱容和熱阻的總體曲線(xiàn)圖成為可能，也就是著(zhù)名的結構函數。它是結點(diǎn)至環(huán)境熱流路徑中熱阻抗網(wǎng)絡(luò )模型的圖形表示形式。結構函數的形式與實(shí)際結點(diǎn)至環(huán)境熱流路徑保持一一對應的關(guān)系。元件的結點(diǎn)始終在圖形的原點(diǎn)。圖5中的圖形就描述了這一概念。 
在LED元件中，由半導體產(chǎn)生的熱量從它的自身開(kāi)始傳遞。結點(diǎn)被加熱，之后熱量通過(guò)許多熱阻，同時(shí)加熱熱流路徑上的物體。事實(shí)上，熱量通過(guò)的熱阻越多，更多的熱容被加熱。
在圖5中，最初的曲線(xiàn)非常陡峭，同時(shí)熱容被加熱。這個(gè)曲線(xiàn)進(jìn)行了注解，描述了LED/MCPCB，封固劑（導熱硅脂）和照明設備三個(gè)階段。但在第一個(gè)階段內，曲線(xiàn)描述了更小的一些階段，譬如Die attach，散熱板，甚至是緊固銅散熱板和MCPCB的膠水。注意這個(gè)圖形證實(shí)了早期的一個(gè)論點(diǎn)，那就是LED自身的熱阻占整個(gè)系統結點(diǎn)至環(huán)境熱阻的50%。
再次查看圖3，注意測量的僅僅是LED元件兩端的電壓。系統是如何得到了整個(gè)照明設備的熱數據呢？答案就是監控和觀(guān)察溫度的下降曲線(xiàn)。
當LED Die的溫度開(kāi)始下降，由于只有一個(gè)對其溫度有影響的物體直接連接著(zhù)它，它的溫度下降緩慢。Die 溫度下降所需要的時(shí)間主要取決于熱容，它可以存儲熱量。測試系統監控溫度微小的改變，并且將其變換為熱阻/熱容數據點(diǎn)，如果具有一樣的特性則會(huì )看到類(lèi)似的曲線(xiàn)。所以對測試系統的靈敏度有很高的要求。 從測試到模型 結構函數幫助工程師估整個(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。
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。 
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。 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。
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
評論