LED熱特性實際應用關鍵性能探討

必須清楚地了解LED內部從PN結到環境的熱特性，從而確保得到一個安全，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。

　　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。

　　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*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。

　　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。

　　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Mentor Graphics的MicReD商業自動化測試系統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，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可以提供非常有用的Zth 和時間曲線的分析變換。