功率LED熱設(shè)計(jì)關(guān)鍵之如何針對(duì)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(yīng)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(qū)動(dòng)的，當(dāng) LED的溫度上升時(shí)，它的光輸出也會(huì)急劇下降。圖1所示的是常見的 LED 基本參數(shù)對(duì)于輸出光譜的影響。此外，本圖也說明了 LED的效率和發(fā)光顏色也會(huì)在峰值波長(zhǎng)處發(fā)生偏移。

　　LED 熱特性的重要性

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

　　這就意味著在LED在實(shí)際應(yīng)用中， 其結(jié)點(diǎn)至環(huán)境的真實(shí)熱阻是LED照明設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素。令人感到遺憾的是，不同LED供應(yīng)商提供的產(chǎn)品熱阻和其它與溫度相關(guān)的特性參數(shù)五花八門。因此，不同的熱標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)也已經(jīng)開始進(jìn)行LED熱管理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定工作?，F(xiàn)今，JEDEC JC15協(xié)會(huì)正在起草一部關(guān)于LED熱阻測(cè)量的新標(biāo)準(zhǔn)。此外，國(guó)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熱方面的問題。在這些協(xié)會(huì)之間逐漸達(dá)成了一個(gè)共識(shí)，那就是供應(yīng)商在采用公式1計(jì)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(jié)溫變化量。

　　當(dāng)確定 LED熱阻的時(shí)候忽略光功率會(huì)得到比 LED實(shí)際應(yīng)用更低的熱阻。如果 LED照明設(shè)計(jì)師使用這些數(shù)據(jù)去計(jì)算 LED燈的光輸出量，其結(jié)果是他們的設(shè)計(jì)往往無法滿足實(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(yīng)地LED結(jié)溫也會(huì)更高。由此，實(shí)際 LED 照明設(shè)備發(fā)出的光通量會(huì)比預(yù)期要低。 獲取 LED實(shí)際的熱特性數(shù)據(jù)是成功設(shè)計(jì)LED的關(guān)鍵。

　　熱特性：仿真和物理測(cè)試

　　熱仿真可以幫助設(shè)計(jì)師了解他們LED產(chǎn)品的散熱狀況。 因?yàn)?LED 光源發(fā)出的熱量一般都通過自然對(duì)流的方式進(jìn)入到周圍環(huán)境中，CFD分析工具是用以確定不同設(shè)計(jì)方案散熱性能所必須的。

　　圖 2顯示了在 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)自然對(duì)流測(cè)試環(huán)境中的一個(gè)改進(jìn)MR16 LED燈的熱仿真結(jié)果。

　　為了建立精確的熱仿真模型，所以必須確定實(shí)際應(yīng)用中的LED熱阻值。實(shí)際應(yīng)用中的LED熱阻值通常可以由 Tr3ster 等測(cè)量?jī)x器完成。 Tr3ster 是 Mentor Graphics MicReD團(tuán)隊(duì)開發(fā)的產(chǎn)品。圖3 是圖 2中 LED熱測(cè)試所使用的測(cè)試設(shè)備。

　　圖 4是由 Tr3ster 熱瞬態(tài)測(cè)試儀測(cè)量得到的LED結(jié)溫和 Zth的關(guān)系曲線。這個(gè)測(cè)試結(jié)果可以被用于獲得LED導(dǎo)熱路徑上的詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息，這里所指的導(dǎo)熱路徑主要是指LED的 PN 結(jié)至環(huán)境之間的熱量傳遞路徑。這些詳細(xì)的結(jié)構(gòu)信息以熱阻和熱容的關(guān)系曲線形式描述。這類曲線也被稱之為結(jié)構(gòu)函數(shù)。結(jié)構(gòu)函數(shù)可以幫助設(shè)計(jì)師確定整個(gè)LED散熱設(shè)計(jì)的每一部分的熱阻，其中包括了 LED 結(jié)點(diǎn)，TIM，散熱器或者照明設(shè)備。

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

　　熱和光度聯(lián)合測(cè)量

　　圖 4和圖 5提供了一些對(duì)于解釋非常有用的對(duì)比結(jié)果，而且對(duì)于實(shí)際的設(shè)計(jì)工作而言，熱特性數(shù)據(jù)是必須的。所以，當(dāng)計(jì)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(cè)試設(shè)備（符合應(yīng)用熱測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)［3］）必須具備測(cè)試LED光功率的功能。LED光功率測(cè)試必須遵從 CIE協(xié)會(huì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［4］。圖 6是這樣一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的描述。Tr3ster 熱測(cè)試儀器對(duì)處于TERALED系統(tǒng)中的被測(cè)試 LED提供一個(gè)電功率，TERALED 是一個(gè)由累計(jì)球和探測(cè)器組成的自動(dòng)光度測(cè)量裝置。另外，整個(gè)系統(tǒng)中還包括電控制和測(cè)試數(shù)據(jù)處理軟件。LED 助推器（圖 6左邊的小盒子）讓系統(tǒng)測(cè)試多芯片高前向電壓（VF》10V）的LED。

　　通過 Tr3ster 對(duì) LED進(jìn)行測(cè)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(shù)據(jù)。我們可以在不同的參考溫度和前向電流條件下，測(cè)量這些 LED特性值。 在光度測(cè)量過程中加入熱瞬態(tài)測(cè)試不會(huì)明顯增加測(cè)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(nèi)達(dá)到穩(wěn)定的溫度。所以，光度測(cè)量過程中包含熱瞬態(tài)測(cè)試不會(huì)增加許多測(cè)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。這就意味著當(dāng)預(yù)測(cè) LED散熱性能時(shí)，必須注明測(cè)試環(huán)境（參考溫度） 。如果光度測(cè)量和熱阻測(cè)量同時(shí)進(jìn)行，則參考溫度就是冷板的溫度。

　　LED說明書中的數(shù)據(jù)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(dá)到 80oC。其結(jié)溫的范圍可能在80oC~110oC的范圍。較高的 LED工作溫度會(huì)導(dǎo)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(cè)試主要基于兩種不同的散熱設(shè)計(jì)方案。測(cè)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(dǎo)熱界面材料。當(dāng)散熱器溫度不斷增加，光通量不斷下降。

　　因?yàn)閮纱螠y(cè)試使用一樣的LED，所以預(yù)計(jì)的測(cè)試結(jié)果是兩條平行的曲線，但實(shí)際情況并非如此?？偟慕Y(jié)點(diǎn)至環(huán)境的熱阻也隨著參考溫度的變化而變化。圖8的結(jié)構(gòu)函數(shù)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(nèi)部封裝所引起的。之后的熱阻部分對(duì)應(yīng)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(dǎo)熱界面材料。在TG2500 樣品的測(cè)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(dǎo)致了總熱阻有20%的變化。 圖8中的結(jié)構(gòu)函數(shù)被對(duì)應(yīng)到LED的各個(gè)組成部分。

　　光通量是真實(shí)結(jié)溫的函數(shù)

　　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，通過公式 2可以計(jì)算出實(shí)際 LED 結(jié)溫：

　　其中，Pheat=IFxVF（Tref）-Popt（Tref）也是公式 1中使用的，RthJA是測(cè)量的熱阻值。如果將圖 7中的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行重新處理，將光通量作為 LED 結(jié)溫的函數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)兩種測(cè)試的結(jié)果幾乎一致（如圖9所示） 。兩條幾乎重合的光通量和結(jié)溫的曲線表明，在我們兩種測(cè)試中 LED芯片和其封裝有著一樣的光輸出特性。

　　其中，Pheat=IFxVF（Tref）-Popt（Tref）也是公式 1中使用的，RthJA是測(cè)量的熱阻值。如果將圖 7中的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行重新處理，將光通量作為 LED 結(jié)溫的函數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)兩種測(cè)試的結(jié)果幾乎一致（如圖9所示） 。兩條幾乎重合的光通量和結(jié)溫的曲線表明，在我們兩種測(cè)試中 LED芯片和其封裝有著一樣的光輸出特性。

　　結(jié)論

　　溫度是 LED照明設(shè)備性能的一個(gè)重要影響因素，不僅僅影響其預(yù)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(shù)的LED 供應(yīng)商沒有將 LED 熱阻測(cè)試和光度測(cè)試同時(shí)進(jìn)行。所以，如今的 LED說明書中無法提供 LED 真實(shí)的熱阻值。因此，LED供應(yīng)商提供的熱阻值要比 LED 實(shí)際應(yīng)用中的熱阻值要低。如果想要通過 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。如果沒有這方面的信息，那么結(jié)合光度測(cè)量和熱瞬態(tài)測(cè)試，并且再進(jìn)行一些測(cè)試數(shù)據(jù)處理就可以獲得熱阻的相關(guān)信息。

　　很少有 LED說明書會(huì)注明各種溫度下光輸出特性。 通過確定測(cè)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(jié)溫的函數(shù)。這就可以消除測(cè)試過程中不同環(huán)境溫度對(duì)于實(shí)際熱阻的影響。當(dāng)光輸出特性可以與實(shí)際的結(jié)溫相對(duì)應(yīng)，那么精確地比較不同的 LED照明設(shè)備也就成為可能。