簡析LED照明在實際應用中的熱特性

圖5 LED和光源系統的結構

函數從測試到模型結構函數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計中存在的問題，這些問題可能影響設備的生產或可靠性。

　　3 從測試到模型

　　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。

圖6 簡約模型

　　借助瞬態熱測試得到的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。

　　4 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定的溫度范圍內，它預期發出多少光？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相結合，這個子系統是滿足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，對于普通循環光度測試增加熱瞬態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熱穩定的條件下測量。

　　5 溫度：參考，周圍的，環境…

　　熱管理解決方案的結點至環境的熱阻很容易受到環境溫度的影響，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的自由度。通常環境方面的信息不會得到重視。關于產品性能的數據可能是照明設備處于最佳照明時得到的，可以說忽略了真實工作條件下的一些影響。例如，通常供應商提供的LED數據是在25oC的環境溫度條件下，即便LED安裝在燈具中之后其安裝面的溫度為50oC，甚至80oC。在工作狀態下，實際的LED結溫可能處于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的結溫。因此，通過改變冷板的溫度，可以觀察結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。因為測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。采用的導熱界面材料有著不同的溫度影響，從而對LED結溫產生不同的影響。不同冷板溫度下的結構函數可以進一步揭示這些影響的程度和產生位置。

　　很多的測試工作都是關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，就可以計算相應的LED結溫值。如果沒有進一步的測試要求。工程師可以使用之前的信息，重新繪制LED結溫與光通量之間的關系。

　　基于真實的LED結溫，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溫的曲線，并且這里的真實結溫通過真實的加熱功率和真實的熱阻進行計算得到?，F在對于同一供應商的所有LED樣品，由前向電流值獲得的特性斜率是一致的。