簡析LED照明在實際應用中的熱特性

引言

　　每個設計師只有清楚地了解LED內部從PN結到環境的熱特性，才能確保得到一個安全，可靠的設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熱界面，并且它們的厚度和熱阻很難在生產過程中進行控制。此外，在LED封裝和作為散熱器的照明設備外殼之間的導熱界面進一步增加了設計的挑戰性。必須在樣機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。

圖1 電流和溫度依賴于一個LED光輸出中光譜強度分布

像很多其它產品一樣，照明系統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評價指數，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%的結點至環境的熱阻由LED封裝所引起。

圖2 功率LED的典型熱傳導結構

傳統的LED標準需要進一步地完善。相關的工業標準正在起草，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。

　　2 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，測試系統的硬件和軟件必須滿足一定的要求。例如MentorGraphics的MicReD商業自動化測試系統就是滿足此類要求的典型設備。