實際應用中LED熱特性關鍵性能探討

　　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產生更多的光。但當前向電流保持不變，光輸出會隨著LED的溫度升高而下降。圖1描述了溫度，電流和光輸出的關系。并且描述了一個LED相關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照明空間內的感官產生影響。

　　像很多其它產品一樣，照明系統(tǒng)設計時也要權衡成本和性能。功率分配及因此產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。能效值與另一個度量參數效能有密切關系，它是一個關于有用性的價指數，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的效能會隨著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實際應用中產生更多一致顏色的光通量。

　　熱量從LED封裝芯片開始傳遞，相關的數據由供應商提供。圖2 中顯示的是常見的導熱結構。一個LED燈大約50%的結點至環(huán)境的熱阻由LED封裝所引起。

　　傳統(tǒng)的LED標準需要進一步地完善。相關的工業(yè)標準正在起草，但LED供應商仍然以不同方式定義它們產品的熱阻和其它與溫度相關的特性參數。例如，當確定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際熱阻值要低。如果實際的熱阻值更高，則相應的LED結溫也會更高，從而造成發(fā)出的光通量不夠。所以，了解真實的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性關系。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Mentor Graphics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備。

　　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，同時用一個高采樣率完成前向電壓的測量，直至LED結溫完全趨于穩(wěn)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處于一個封閉空間內，這個封閉空間是JEDEC標準的自然對流腔，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。

　　在電子行業(yè)，術語“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據點所構成，所以潛在的信息非常豐富。集成先進應用數學且功能強大的熱測試系統(tǒng)可以提供非常有用的Zth 和時間曲線的分析變換。

　　Zth曲線圖中的數據使計算熱容和熱阻的總體曲線圖成為可能，也就是著名的結構函數。它是結點至環(huán)境熱流路徑中熱阻抗網絡模型的圖形表示形式。結構函數的形式與實際結點至環(huán)境熱流路徑保持一一對應的關系。元件的結點始終在圖形的原點。圖5中的圖形就描述了這一概念。

　　在LED元件中，由半導體產生的熱量從它的自身開始傳遞。結點被加熱，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。這個曲線進行了注解，描述了LED/MCPCB，封固劑（導熱硅脂）和照明設備三個階段。但在第一個階段內，曲線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。注意這個圖形證實了早期的一個論點，那就是LED自身的熱阻占整個系統(tǒng)結點至環(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備的熱數據呢？答案就是監(jiān)控和觀察溫度的下降曲線。

　　當LED Die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/熱容數據點，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。 　　從測試到模型 　　結構函數幫助工程師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計中存在的問題，這些問題可能影響設備的生產或可靠性。

　　結構函數可以進一步轉變成簡化模型，也就是一個包含熱阻熱容的等效網絡，它包含了結構函數圖形中所包含的所有數值。圖6描述了類似功率LED等半導體元件的一個通用模型。當然，實際的模型中R和C會有具體的數值。

　　借助瞬態(tài)熱測試得到的R/C網絡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(tǒng)進行熱仿真。為了滿足市場對于它們產品更多熱性能數據的要求，一些半導體供應商開始使用瞬態(tài)模型去描述它們功率開關和類似產品的熱性能，這也為LED供應商在將來也遵從這種做法提供了借鑒。 　　光度測量揭示LED的真實顏色 　　先前所有的努力使照明設備達到投放到市場的端口。然而，此時必須回答一個重要的問題：當照明設備工作在它規(guī)定的溫度范圍內，它預期發(fā)出多少光？在產品批量生產之前，必須提供樣機完整的光度和輻射特性。在現在自動化工具的幫助下，熱和光測量可以被同時進行。

　　為了同時進行測量，之前已經解釋了熱測試必須與一個子系統(tǒng)相結合，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。這是因為貼附到冷板的功率LED結溫通常在30~60S之內達到穩(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。

　　溫度：參考，周圍的，環(huán)境… 　　熱管理解決方案的結點至環(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，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)標準化工作還在進行，這也意味著供應商在描述它們產品和提供相關數據時有很大