簡析LED照明在實(shí)際應(yīng)用中的熱特性

  引言

　　每個設(shè)計師只有清楚地了解LED內(nèi)部從PN結(jié)到環(huán)境的熱特性，才能確保得到一個安全，可靠的設(shè)計和令人滿意的性能。

　　在熱流路徑中可能有裸芯片或膠層等多個導(dǎo)熱界面，并且它們的厚度和熱阻很難在生產(chǎn)過程中進(jìn)行控制。此外，在LED封裝和作為散熱器的照明設(shè)備外殼之間的導(dǎo)熱界面進(jìn)一步增加了設(shè)計的挑戰(zhàn)性。必須在樣機(jī)階段盡可能早地了解LED的熱阻值。

　　1 電流、顏色和效能

　　LED的光輸出特性主要取決于其工作條件。前向電流增加會使LED產(chǎn)生更多的光。但當(dāng)前向電流保持不變，光輸出會隨著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LED相關(guān)的顏色光譜在峰值波長處的偏移。用于普通照明的單色LED，藍(lán)色光譜的峰值會發(fā)生偏移，因此改變了LED所謂的色溫。這會對LED照明空間內(nèi)的感官產(chǎn)生影響。

圖1 電流和溫度依賴于一個LED光輸出中光譜強(qiáng)度分布

      像很多其它產(chǎn)品一樣，照明系統(tǒng)設(shè)計時也要權(quán)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(zhuǎn)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。能效值與另一個度量參數(shù)效能有密切關(guān)系，它是一個關(guān)于有用性的評價指數(shù)，可感知的光除以提供的電功率的比值。效能被用于評估不同光源的優(yōu)劣。不幸的是LED的效能會隨著LED結(jié)溫的增加而下降。預(yù)測LED的輸出光通量是照明設(shè)計的最終目標(biāo)。提供有效散熱的熱管理解決方案可以在LED實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生更多一致顏色的光通量。

　　熱量從LED封裝芯片開始傳遞，相關(guān)的數(shù)據(jù)由供應(yīng)商提供。圖2中顯示的是常見的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)。一個LED燈大約50%的結(jié)點(diǎn)至環(huán)境的熱阻由LED封裝所引起。

圖2 功率LED的典型熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)

      傳統(tǒng)的LED標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步地完善。相關(guān)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在起草，但LED供應(yīng)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(shù)。例如，當(dāng)確定LED熱阻時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比實(shí)際熱阻值要低。如果實(shí)際的熱阻值更高，則相應(yīng)的LED結(jié)溫也會更高，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(shù)是非常重要的。

　　2 測量：溫度比光通量更重要

　　假設(shè)LED的溫度與其兩端的前向電壓降成線性關(guān)系。因此，通過觀察電壓降可以精確地推算出溫度的變化。為了很好地進(jìn)行這個測試，測試系統(tǒng)的硬件和軟件必須滿足一定的要求。例如MentorGraphics的MicReD商業(yè)自動化測試系統(tǒng)就是滿足此類要求的典型設(shè)備。[!--empirenews.page--]

圖3 熱瞬態(tài)測試裝置

      圖3描繪了此類測量裝置的簡圖（不成比例）。測量的第一步是確定前向電壓在一個非常小的電流下的溫度敏感性，這個小電流可以是傳感器或測量電流。之后，LED被施加一個大電流，從而使其變熱。接著停止施加大電流，并且很小的傳感器電流再次出現(xiàn)，同時用一個高采樣率完成前向電壓的測量，直至LED結(jié)溫完全趨于穩(wěn)定。

　　由于LED快速的熱響應(yīng)，所以測量的硬件設(shè)備必須能夠捕捉LED電流停止施加后幾微秒內(nèi)的溫度（電壓）改變。

　　如圖3所示，被測量的LED處于一個封閉空間內(nèi)，這個封閉空間是JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的自然對流腔，它提供了一個沒有氣流流通的環(huán)境。T3ster也可以提供類似的裝置。表格1歸納了測試步驟。

　　表1：熱瞬態(tài)測試流程

　　在電子行業(yè)，術(shù)語“Z”代表阻抗，在我們的例子中代表熱阻抗。在熱阻抗的曲線中，其表示溫差除以熱功耗的值。因此，圖4中的Z曲線表述了對于1W熱功耗的溫度改變。

　　熱阻抗曲線Zth總體來看比較平滑，但局部還是有波動，工程師需要解釋其中的原因。而且它是由大量密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)所構(gòu)成，所以潛在的信息非常豐富。集成先進(jìn)應(yīng)用數(shù)學(xué)且功能強(qiáng)大的熱測試系統(tǒng)可以提供非常有用的Zth和時間曲線的分析變換。

圖4 Zth曲線代表加熱功率1瓦時，溫度vs.時間

      結(jié)構(gòu)函數(shù)的形式與實(shí)際結(jié)點(diǎn)至環(huán)境熱流路徑保持一一對應(yīng)的關(guān)系。元件的結(jié)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(dǎo)體產(chǎn)生的熱量從它的自身開始傳遞。結(jié)點(diǎn)被加熱，之后熱量通過許多熱阻，同時加熱熱流路徑上的物體。事實(shí)上，熱量通過的熱阻越多，更多的熱容被加熱。

　　在圖5中，最初的曲線非常陡峭，同時熱容被加熱。這個曲線進(jìn)行了注解，描述了LED/MCPCB，封固劑（導(dǎo)熱硅脂）和照明設(shè)備三個階段。但在第一個階段內(nèi)，曲線描述了更小的一些階段，譬如Dieattach,散熱板，甚至是緊固銅散熱板和MCPCB的膠水。注意這個圖形證實(shí)了早期的一個論點(diǎn)，那就是LED自身的熱阻占整個系統(tǒng)結(jié)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(tǒng)是如何得到了整個照明設(shè)備的熱數(shù)據(jù)呢？答案就是監(jiān)控和觀察溫度的下降曲線。

　　當(dāng)LEDDie的溫度開始下降，由于只有一個對其溫度有影響的物體直接連接著它，它的溫度下降緩慢。Die溫度下降所需要的時間主要取決于熱容，它可以存儲熱量。測試系統(tǒng)監(jiān)控溫度微小的改變，并且將其變換為熱阻/熱容數(shù)據(jù)點(diǎn)，如果具有一樣的特性則會看到類似的曲線。所以對測試系統(tǒng)的靈敏度有很高的要求。[!--empirenews.page--]

圖5 LED和光源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

      函數(shù)從測試到模型結(jié)構(gòu)函數(shù)幫助工程師評估整個散熱路徑中的各個部分。重要的是它們可以幫助揭示設(shè)計中存在的問題，這些問題可能影響設(shè)備的生產(chǎn)或可靠性。

　　3 從測試到模型

　　結(jié)構(gòu)函數(shù)可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成簡化模型，也就是一個包含熱阻熱容的等效網(wǎng)絡(luò)，它包含了結(jié)構(gòu)函數(shù)圖形中所包含的所有數(shù)值。圖6描述了類似功率LED等半導(dǎo)體元件的一個通用模型。當(dāng)然，實(shí)際的模型中R和C會有具體的數(shù)值。

圖6 簡約模型

　　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(shè)計工具中，在這些熱設(shè)計工具中對LED系統(tǒng)進(jìn)行熱仿真。為了滿足市場對于它們產(chǎn)品更多熱性能數(shù)據(jù)的要求，一些半導(dǎo)體供應(yīng)商開始使用瞬態(tài)模型去描述它們功率開關(guān)和類似產(chǎn)品的熱性能，這也為LED供應(yīng)商在將來也遵從這種做法提供了借鑒。

　　4 光度測量揭示LED的真實(shí)顏色

　　先前所有的努力使照明設(shè)備達(dá)到投放到市場的端口。然而，此時必須回答一個重要的問題：當(dāng)照明設(shè)備工作在它規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，它預(yù)期發(fā)出多少光？在產(chǎn)品批量生產(chǎn)之前，必須提供樣機(jī)完整的光度和輻射特性。在現(xiàn)在自動化工具的幫助下，熱和光測量可以被同時進(jìn)行。

　　為了同時進(jìn)行測量，之前已經(jīng)解釋了熱測試必須與一個子系統(tǒng)相結(jié)合，這個子系統(tǒng)是滿足CIE1要求（參見備注）的條件下，用于測試LED光輸出。這個子系統(tǒng)包含了一個恒溫器（類似冷板）和探測器。兩個器件由特定的軟件進(jìn)行控制。一個完全整合的熱/輻射/光度測試系統(tǒng)可以描述照明設(shè)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)測試不會明顯增加測試時間。這是因?yàn)橘N附到冷板的功率LED結(jié)溫通常在30~60S之內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。LED熱阻測試之前的加熱過程，是一個相類似的過程。因此，加上熱測試的測試時間與僅僅光輸出測試的時間是一樣的；所有的這些特性必須在LED熱穩(wěn)定的條件下測量。

　　5 溫度：參考，周圍的，環(huán)境…

　　熱管理解決方案的結(jié)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(jié)果失真。因此當(dāng)預(yù)測照明設(shè)備熱性能時，測試環(huán)境溫度也就是參考溫度必須注明。但熱和光度/輻射測量被同時完成時，參考溫度就是冷板的溫度。

　　正如之前的解釋，LED特性的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作還在進(jìn)行，這也意味著供應(yīng)商在描述它們產(chǎn)品和提供相關(guān)數(shù)據(jù)時有很大的自由度。通常環(huán)境方面的信息不會得到重視。關(guān)于產(chǎn)品性能的數(shù)據(jù)可能是照明設(shè)備處于最佳照明時得到的，可以說忽略了真實(shí)工作條件下的一些影響。例如，通常供應(yīng)商提供的LED數(shù)據(jù)是在25oC的環(huán)境溫度條件下，即便LED安裝在燈具中之后其安裝面的溫度為50oC，甚至80oC。在工作狀態(tài)下，實(shí)際的LED結(jié)溫可能處于80~100oC的范圍，從而引起光通量的急劇下降。

　　在圖7a中顯示了兩個同一廠商的兩個白色LED光通量和參考溫度的關(guān)系，這兩個LED具有不同的散熱方式。散熱方式1使用了一塊金屬的PCB板，而散熱方式2使用了傳統(tǒng)的FR4板。此外，兩個LED樣品的PCB板和散熱器之間使用了不同的導(dǎo)熱界面材料。

　　得到光通量和參考溫度的測試方法非常簡單。測試時冷板直接影響LED的結(jié)溫。因此，通過改變冷板的溫度，可以觀察結(jié)溫變化對于光通量的影響。

　　圖7a中的兩個LED曲線并不完全平行。因?yàn)闇y試是基于同一類型的LED，所以人們可能希望兩個LED的性能是一致的。然而，請注意光通量和參考溫度的曲線圖。采用的導(dǎo)熱界面材料有著不同的溫度影響，從而對LED結(jié)溫產(chǎn)生不同的影響。不同冷板溫度下的結(jié)構(gòu)函數(shù)可以進(jìn)一步揭示這些影響的程度和產(chǎn)生位置。

　　很多的測試工作都是關(guān)于確定加熱功耗和每一個參考溫度下的熱阻值。如果具有這些信息，就可以計算相應(yīng)的LED結(jié)溫值。如果沒有進(jìn)一步的測試要求。工程師可以使用之前的信息，重新繪制LED結(jié)溫與光通量之間的關(guān)系。

　　基于真實(shí)的LED結(jié)溫，重新繪制曲線將消除光通量曲線斜率的偏差。圖7b描述了一組光通量和結(jié)溫的曲線，并且這里的真實(shí)結(jié)溫通過真實(shí)的加熱功率和真實(shí)的熱阻進(jìn)行計算得到?，F(xiàn)在對于同一供應(yīng)商的所有LED樣品，由前向電流值獲得的特性斜率是一致的。[!--empirenews.page--]

圖7a 使用兩種熱管理方案得出的10瓦白光LED的被測光通量vs.參考溫度云圖對比

圖7b 被測光通量vs.結(jié)溫

　　6 靜態(tài)測量，光度測量和累計球

　　描述偏色等重要參數(shù)不僅僅要求電流和熱測試，而且需要一個完全可控的小型“黑腔”。非常明顯，不讓外部的光影響敏感的波長讀數(shù)是非常重要的。

　　最簡單的LED熱阻抗測量方式是使用四線“Kelvin”測試裝置的靜態(tài)測試方法。首先是LED處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，設(shè)定產(chǎn)生需要加熱電流（IH）等級的前向電流（IF），恒定的加熱電流是LED溫度達(dá)到一個穩(wěn)定值，從而產(chǎn)生恒定的光通量。

　　在JEDECJESD51-1標(biāo)準(zhǔn)定義的靜態(tài)測試條件下，一旦LED處于熱的狀態(tài)，它的前向電流突然降低到一個非常低的測量電流水平，IM（表格1中第2步）。事實(shí)上LED被關(guān)閉，產(chǎn)生了一個負(fù)的功率。在這個階段，測量相應(yīng)的電壓（表格1第3步）。從LED的前向電壓改變推算LED結(jié)溫的改變。

　　注意，當(dāng)PN結(jié)前向電流突然被停止（在測試過程中），不可避免的發(fā)生電瞬態(tài)現(xiàn)象。這個瞬態(tài)現(xiàn)象會持續(xù)很短的一段時間，在這段時間內(nèi)前向電壓的改變無法描述LED芯片的溫度的改變。因此，在進(jìn)行測量時必須給電瞬態(tài)現(xiàn)象消失留有一個時間上的延遲。

　　圖8歸納了變量之間的相互影響。

圖8 一個熱循環(huán)提供高電流，馬上提供一個冷卻循環(huán)，只提供很小的測試電流

　　當(dāng)TERALED以單機(jī)模式使用時，它可以完成光度測量。當(dāng)結(jié)合T3Ster系統(tǒng)時可以進(jìn)行熱和光度測量。圖9是TERALED和T3Ster系統(tǒng)一起使用的簡圖。

圖9 使用JEDECJSD51-1規(guī)則，T3Ster熱測試系統(tǒng)與TERALED系統(tǒng)能同時測試LED的熱特性和光特性

　　7 結(jié)論：熱，光和成本的平衡

　　每一個成功的LED照明設(shè)備背后都蘊(yùn)藏著設(shè)計師在功率LED溫度和熱損耗要求方面做出的很多努力。這些重要的因素影響產(chǎn)品的壽命和它的發(fā)光特性。一個工作溫度低，且發(fā)出滿足要求光的照明設(shè)備可以在終端用戶那里更長時間的工作。

　　MicREDT3Ster自動熱測試系統(tǒng)可以快速完成熱阻測量和預(yù)測照明設(shè)備內(nèi)熱量傳遞的路徑。并且T3Ster和TERALED結(jié)合的熱和輻射/光度測量系統(tǒng)可以得到照明設(shè)備工作溫度，光性能和成本之間的完美平衡。