功率LED热设计关键之如何针对热阻进行热管理

众所周知，LED的发光特性与其工作条件有很大关系。应用在LED上的前向电流是主要的影响因素，电流越高，LED产生的光通量也越多。令人感到遗憾的是，LED是由一个恒定的电流源进行驱动的，当 LED的温度上升时，它的光输出也会急剧下降。图1所示的是常见的 LED 基本参数对于输出光谱的影响。此外，本图也说明了 LED的效率和发光颜色也会在峰值波长处发生偏移。

　　LED 热特性的重要性

　由于 LED 的光输出会随着温度发生变化， 所以良好的热管理是功率LED照明应用的一个重要问题。通过降低LED的温度，我们可以使其保持较高的效率。在实际的应用环境中，LED温度越低，其输出的流明也越多。

　　这就意味着在LED在实际应用中， 其结点至环境的真实热阻是LED照明设计的一个重要因素。令人感到遗憾的是，不同LED供应商提供的产品热阻和其它与温度相关的特性参数五花八门。因此，不同的热标准机构也已经开始进行LED热管理的相关标准制定工作。现今，JEDEC JC15协会正在起草一部关于LED热阻测量的新标准。此外，国际照明协会（International Lighting Committee）成立了两个新的技术协会（TC-2-63 和 TC-2-64），以处理LED热方面的问题。在这些协会之间逐渐达成了一个共识，那就是供应商在采用公式1计算LED热阻时， 必须考虑实际的光功率Popt （换而言之， 辐射光通量） ：

　　公式中 LED前向电流和前向电压（IFxVF）的乘积是LED工作所需要的电功率，∆Tj是 LED的结温变化量。

　　当确定 LED热阻的时候忽略光功率会得到比 LED实际应用更低的热阻。如果 LED照明设计师使用这些数据去计算 LED灯的光输出量，其结果是他们的设计往往无法满足实际的光输出量的要求。实际情况中的热阻会更高，相应地LED结温也会更高。由此，实际 LED 照明设备发出的光通量会比预期要低。 获取 LED实际的热特性数据是成功设计LED的关键。

　　热特性：仿真和物理测试

　　热仿真可以帮助设计师了解他们LED产品的散热状况。 因为 LED 光源发出的热量一般都通过自然对流的方式进入到周围环境中，CFD分析工具是用以确定不同设计方案散热性能所必须的。

　　图 2显示了在 JEDEC 标准自然对流测试环境中的一个改进MR16 LED灯的热仿真结果。

　　为了建立精确的热仿真模型，所以必须确定实际应用中的LED热阻值。实际应用中的LED热阻值通常可以由 Tr3ster 等测量仪器完成。 Tr3ster 是 Mentor Graphics MicReD团队开发的产品。图3 是图 2中 LED热测试所使用的测试设备。

　　图 4是由 Tr3ster 热瞬态测试仪测量得到的LED结温和 Zth的关系曲线。这个测试结果可以被用于获得LED导热路径上的详细结构信息，这里所指的导热路径主要是指LED的 PN 结至环境之间的热量传递路径。这些详细的结构信息以热阻和热容的关系曲线形式描述。这类曲线也被称之为结构函数。结构函数可以帮助设计师确定整个LED散热设计的每一部分的热阻，其中包括了 LED 结点，TIM，散热器或者照明设备。

　　图 5显示了整个LED 照片设备中结点至环境总热阻的 50%是由于LED自身所引起的。结构函数不仅仅能帮助结构分析（例如，die attach失效探测） ，而且可以帮助生成封装元件动态的简化热模型。这类简化模型可以直接被 CFD软件所使用。 （一些半导体供应商也已经开始提供它们产品热性能的瞬态模型）

　　热和光度联合测量

　　图 4和图 5提供了一些对于解释非常有用的对比结果，而且对于实际的设计工作而言，热特性数据是必须的。所以，当计算实际的热阻值时，必须清楚地了解 LED的光功率。

　　为了获得这方面的信息，一个热测试设备（符合应用热测试标准［3］）必须具备测试LED光功率的功能。LED光功率测试必须遵从 CIE协会的相关标准［4］。图 6是这样一个测试系统的描述。Tr3ster 热测试仪器对处于TERALED系统中的被测试 LED提供一个电功率，TERALED 是一个由累计球和探测器组成的自动光度测量装置。另外，整个系统中还包括电控制和测试数据处理软件。LED 助推器（图 6左边的小盒子）让系统测试多芯片高前向电压（VF》10V）的LED。

　　通过 Tr3ster 对 LED进行测量， 我们可以在获得 LED热阻的同时， 也获得辐射通量，光通量，光输出特性，染色性等数据。我们可以在不同的参考温度和前向电流条件下，测量这些 LED特性值。 在光度测量过程中加入热瞬态测试不会明显增加测试时间。如今功率LED在被贴附到冷板之后，通常可以在 30~60S 之内达到稳定的温度。所以，光度测量过程中包含热瞬态测试不会增加许多测试时间。

　　参考温度的影响

　　比较棘手的是，LED 总的热阻值与环境温度有很大的关系。这就意味着当预测 LED散热性能时，必须注明测试环境（参考温度） 。如果光度测量和热阻测量同时进行，则参考温度就是冷板的温度。

　　LED说明书中的数据是基于环境温度25oC，但往往 LED的实际工作环境温度为50oC，最高甚至可以达到 80oC。其结温的范围可能在80oC~110oC的范围。较高的 LED工作温度会导致LED 光通量的大幅下降。

　　图 7显示了 Cree MCE系列白色LED光通量和参考温度的关系，这些测试主要基于两种不同的散热设计方案。测试主要由两块不同的 PCB，一个金属芯片和 FR4装置所组成。此外，PCB和散热器之间使用了不同的导热界面材料。当散热器温度不断增加，光通量不断下降。

　　因为两次测试使用一样的LED，所以预计的测试结果是两条平行的曲线，但实际情况并非如此。总的结点至环境的热阻也随着参考温度的变化而变化。图8的结构函数也表明热流路径随温度变化。其中最初的1.5K/W的热阻是有 LED 内部封装所引起的。之后的热阻部分对应于PCB和位于PCB与LED封装之间的TIM材料。 最后一部分是PCB与散热器之间的导热界面材料。在TG2500 样品的测试中，两层 TIM 材料都显示出其热阻与温度有很大关系， 从而导致了总热阻有20%的变化。 图8中的结构函数被对应到LED的各个组成部分。

　　光通量是真实结温的函数

　　一旦获得了 LED每一个参考温度下的热损耗和参考温度值，通过公式 2可以计算出实际 LED 结温：

　　其中，Pheat=IFxVF（Tref）-Popt（Tref）也是公式 1中使用的，RthJA是测量的热阻值。如果将图 7中的测试数据进行重新处理，将光通量作为 LED 结温的函数，我们发现两种测试的结果几乎一致（如图9所示） 。两条几乎重合的光通量和结温的曲线表明，在我们两种测试中 LED芯片和其封装有着一样的光输出特性。

　　其中，Pheat=IFxVF（Tref）-Popt（Tref）也是公式 1中使用的，RthJA是测量的热阻值。如果将图 7中的测试数据进行重新处理，将光通量作为 LED 结温的函数，我们发现两种测试的结果几乎一致（如图9所示） 。两条几乎重合的光通量和结温的曲线表明，在我们两种测试中 LED芯片和其封装有着一样的光输出特性。

　　结论

　　温度是 LED照明设备性能的一个重要影响因素，不仅仅影响其预期工作寿命而且决定其工作性能。更低的工作温度可以获得更多的光通量。由于绝大多数的LED 供应商没有将 LED 热阻测试和光度测试同时进行。所以，如今的 LED说明书中无法提供 LED 真实的热阻值。因此，LED供应商提供的热阻值要比 LED 实际应用中的热阻值要低。如果想要通过 CFD仿真的方式获得 LED的热性能，那么知道 LED的真实热阻值是必须的。如果没有这方面的信息，那么结合光度测量和热瞬态测试，并且再进行一些测试数据处理就可以获得热阻的相关信息。

　　很少有 LED说明书会注明各种温度下光输出特性。 通过确定测试中 LED的热阻和热损耗，可以将光输出特性描述成真实结温的函数。这就可以消除测试过程中不同环境温度对于实际热阻的影响。当光输出特性可以与实际的结温相对应，那么精确地比较不同的 LED照明设备也就成为可能。