简析LED照明在实际应用中的热特性

  引言

　　每个设计师只有清楚地了解LED内部从PN结到环境的热特性，才能确保得到一个安全，可靠的设计和令人满意的性能。

　　在热流路径中可能有裸芯片或胶层等多个导热界面，并且它们的厚度和热阻很难在生产过程中进行控制。此外，在LED封装和作为散热器的照明设备外壳之间的导热界面进一步增加了设计的挑战性。必须在样机阶段尽可能早地了解LED的热阻值。

　　1 电流、颜色和效能

　　LED的光输出特性主要取决于其工作条件。前向电流增加会使LED产生更多的光。但当前向电流保持不变，光输出会随着LED的温度升高而下降。图1描述了温度，电流和光输出的关系。并且描述了一个LED相关的颜色光谱在峰值波长处的偏移。用于普通照明的单色LED，蓝色光谱的峰值会发生偏移，因此改变了LED所谓的色温。这会对LED照明空间内的感官产生影响。

图1 电流和温度依赖于一个LED光输出中光谱强度分布

      像很多其它产品一样，照明系统设计时也要权衡成本和性能。功率分配及因此产生的散热需求很大程度上是由LED的能量转换效率所决定。其定义为发出的光能和输入电功率的比值。能效值与另一个度量参数效能有密切关系，它是一个关于有用性的评价指数，可感知的光除以提供的电功率的比值。效能被用于评估不同光源的优劣。不幸的是LED的效能会随着LED结温的增加而下降。预测LED的输出光通量是照明设计的最终目标。提供有效散热的热管理解决方案可以在LED实际应用中产生更多一致颜色的光通量。

　　热量从LED封装芯片开始传递，相关的数据由供应商提供。图2中显示的是常见的导热结构。一个LED灯大约50%的结点至环境的热阻由LED封装所引起。

图2 功率LED的典型热传导结构

      传统的LED标准需要进一步地完善。相关的工业标准正在起草，但LED供应商仍然以不同方式定义它们产品的热阻和其它与温度相关的特性参数。例如，当确定LED热阻时忽略了作为条件变量的辐射光功率，那么得到的热阻值将会比实际热阻值要低。如果实际的热阻值更高，则相应的LED结温也会更高，从而造成发出的光通量不够。所以，了解真实的LED热特性参数是非常重要的。

　　2 测量：温度比光通量更重要

　　假设LED的温度与其两端的前向电压降成线性关系。因此，通过观察电压降可以精确地推算出温度的变化。为了很好地进行这个测试，测试系统的硬件和软件必须满足一定的要求。例如MentorGraphics的MicReD商业自动化测试系统就是满足此类要求的典型设备。

图3 热瞬态测试装置

      图3描绘了此类测量装置的简图（不成比例）。测量的第一步是确定前向电压在一个非常小的电流下的温度敏感性，这个小电流可以是传感器或测量电流。之后，LED被施加一个大电流，从而使其变热。接着停止施加大电流，并且很小的传感器电流再次出现，同时用一个高采样率完成前向电压的测量，直至LED结温完全趋于稳定。

　　由于LED快速的热响应，所以测量的硬件设备必须能够捕捉LED电流停止施加后几微秒内的温度（电压）改变。

　　如图3所示，被测量的LED处于一个封闭空间内，这个封闭空间是JEDEC标准的自然对流腔，它提供了一个没有气流流通的环境。T3ster也可以提供类似的装置。表格1归纳了测试步骤。

　　表1：热瞬态测试流程

　　在电子行业，术语“Z”代表阻抗，在我们的例子中代表热阻抗。在热阻抗的曲线中，其表示温差除以热功耗的值。因此，图4中的Z曲线表述了对于1W热功耗的温度改变。

　　热阻抗曲线Zth总体来看比较平滑，但局部还是有波动，工程师需要解释其中的原因。而且它是由大量密集的数据点所构成，所以潜在的信息非常丰富。集成先进应用数学且功能强大的热测试系统可以提供非常有用的Zth和时间曲线的分析变换。

图4 Zth曲线代表加热功率1瓦时，温度vs.时间

      结构函数的形式与实际结点至环境热流路径保持一一对应的关系。元件的结点始终在图形的原点。图5中的图形就描述了这一概念。

　　在LED元件中，由半导体产生的热量从它的自身开始传递。结点被加热，之后热量通过许多热阻，同时加热热流路径上的物体。事实上，热量通过的热阻越多，更多的热容被加热。

　　在图5中，最初的曲线非常陡峭，同时热容被加热。这个曲线进行了注解，描述了LED/MCPCB，封固剂（导热硅脂）和照明设备三个阶段。但在第一个阶段内，曲线描述了更小的一些阶段，譬如Dieattach,散热板，甚至是紧固铜散热板和MCPCB的胶水。注意这个图形证实了早期的一个论点，那就是LED自身的热阻占整个系统结点至环境热阻的50%。

　　再次查看图3，注意测量的仅仅是LED元件两端的电压。系统是如何得到了整个照明设备的热数据呢？答案就是监控和观察温度的下降曲线。

　　当LEDDie的温度开始下降，由于只有一个对其温度有影响的物体直接连接着它，它的温度下降缓慢。Die温度下降所需要的时间主要取决于热容，它可以存储热量。测试系统监控温度微小的改变，并且将其变换为热阻/热容数据点，如果具有一样的特性则会看到类似的曲线。所以对测试系统的灵敏度有很高的要求。

图5 LED和光源系统的结构

      函数从测试到模型结构函数帮助工程师评估整个散热路径中的各个部分。重要的是它们可以帮助揭示设计中存在的问题，这些问题可能影响设备的生产或可靠性。

　　3 从测试到模型

　　结构函数可以进一步转变成简化模型，也就是一个包含热阻热容的等效网络，它包含了结构函数图形中所包含的所有数值。图6描述了类似功率LED等半导体元件的一个通用模型。当然，实际的模型中R和C会有具体的数值。

图6 简约模型

　　借助瞬态热测试得到的R/C网络模型可以直接被用于热设计工具中，在这些热设计工具中对LED系统进行热仿真。为了满足市场对于它们产品更多热性能数据的要求，一些半导体供应商开始使用瞬态模型去描述它们功率开关和类似产品的热性能，这也为LED供应商在将来也遵从这种做法提供了借鉴。

　　4 光度测量揭示LED的真实颜色

　　先前所有的努力使照明设备达到投放到市场的端口。然而，此时必须回答一个重要的问题：当照明设备工作在它规定的温度范围内，它预期发出多少光？在产品批量生产之前，必须提供样机完整的光度和辐射特性。在现在自动化工具的帮助下，热和光测量可以被同时进行。

　　为了同时进行测量，之前已经解释了热测试必须与一个子系统相结合，这个子系统是满足CIE1要求（参见备注）的条件下，用于测试LED光输出。这个子系统包含了一个恒温器（类似冷板）和探测器。两个器件由特定的软件进行控制。一个完全整合的热/辐射/光度测试系统可以描述照明设备的热阻和光输出特性，包括了辐射热流（也就是输出光功率），光通量和染色性。这些值可以在不同的参考温度和前向电流条件下，同时得到测量。

　　重要的是，对于普通循环光度测试增加热瞬态测试不会明显增加测试时间。这是因为贴附到冷板的功率LED结温通常在30~60S之内达到稳定。LED热阻测试之前的加热过程，是一个相类似的过程。因此，加上热测试的测试时间与仅仅光输出测试的时间是一样的；所有的这些特性必须在LED热稳定的条件下测量。

　　5 温度：参考，周围的，环境…

　　热管理解决方案的结点至环境的热阻很容易受到环境温度的影响，从而使测试结果失真。因此当预测照明设备热性能时，测试环境温度也就是参考温度必须注明。但热和光度/辐射测量被同时完成时，参考温度就是冷板的温度。

　　正如之前的解释，LED特性的工业标准化工作还在进行，这也意味着供应商在描述它们产品和提供相关数据时有很大的自由度。通常环境方面的信息不会得到重视。关于产品性能的数据可能是照明设备处于最佳照明时得到的，可以说忽略了真实工作条件下的一些影响。例如，通常供应商提供的LED数据是在25oC的环境温度条件下，即便LED安装在灯具中之后其安装面的温度为50oC，甚至80oC。在工作状态下，实际的LED结温可能处于80~100oC的范围，从而引起光通量的急剧下降。

　　在图7a中显示了两个同一厂商的两个白色LED光通量和参考温度的关系，这两个LED具有不同的散热方式。散热方式1使用了一块金属的PCB板，而散热方式2使用了传统的FR4板。此外，两个LED样品的PCB板和散热器之间使用了不同的导热界面材料。

　　得到光通量和参考温度的测试方法非常简单。测试时冷板直接影响LED的结温。因此，通过改变冷板的温度，可以观察结温变化对于光通量的影响。

　　图7a中的两个LED曲线并不完全平行。因为测试是基于同一类型的LED，所以人们可能希望两个LED的性能是一致的。然而，请注意光通量和参考温度的曲线图。采用的导热界面材料有着不同的温度影响，从而对LED结温产生不同的影响。不同冷板温度下的结构函数可以进一步揭示这些影响的程度和产生位置。

　　很多的测试工作都是关于确定加热功耗和每一个参考温度下的热阻值。如果具有这些信息，就可以计算相应的LED结温值。如果没有进一步的测试要求。工程师可以使用之前的信息，重新绘制LED结温与光通量之间的关系。

　　基于真实的LED结温，重新绘制曲线将消除光通量曲线斜率的偏差。图7b描述了一组光通量和结温的曲线，并且这里的真实结温通过真实的加热功率和真实的热阻进行计算得到。现在对于同一供应商的所有LED样品，由前向电流值获得的特性斜率是一致的。

图7a 使用两种热管理方案得出的10瓦白光LED的被测光通量vs.参考温度云图对比

图7b 被测光通量vs.结温

　　6 静态测量，光度测量和累计球

　　描述偏色等重要参数不仅仅要求电流和热测试，而且需要一个完全可控的小型“黑腔”。非常明显，不让外部的光影响敏感的波长读数是非常重要的。

　　最简单的LED热阻抗测量方式是使用四线“Kelvin”测试装置的静态测试方法。首先是LED处于稳态状态下，设定产生需要加热电流（IH）等级的前向电流（IF），恒定的加热电流是LED温度达到一个稳定值，从而产生恒定的光通量。

　　在JEDECJESD51-1标准定义的静态测试条件下，一旦LED处于热的状态，它的前向电流突然降低到一个非常低的测量电流水平，IM（表格1中第2步）。事实上LED被关闭，产生了一个负的功率。在这个阶段，测量相应的电压（表格1第3步）。从LED的前向电压改变推算LED结温的改变。

　　注意，当PN结前向电流突然被停止（在测试过程中），不可避免的发生电瞬态现象。这个瞬态现象会持续很短的一段时间，在这段时间内前向电压的改变无法描述LED芯片的温度的改变。因此，在进行测量时必须给电瞬态现象消失留有一个时间上的延迟。

　　图8归纳了变量之间的相互影响。

图8 一个热循环提供高电流，马上提供一个冷却循环，只提供很小的测试电流

　　当TERALED以单机模式使用时，它可以完成光度测量。当结合T3Ster系统时可以进行热和光度测量。图9是TERALED和T3Ster系统一起使用的简图。

图9 使用JEDECJSD51-1规则，T3Ster热测试系统与TERALED系统能同时测试LED的热特性和光特性

　　7 结论：热，光和成本的平衡

　　每一个成功的LED照明设备背后都蕴藏着设计师在功率LED温度和热损耗要求方面做出的很多努力。这些重要的因素影响产品的寿命和它的发光特性。一个工作温度低，且发出满足要求光的照明设备可以在终端用户那里更长时间的工作。

　　MicREDT3Ster自动热测试系统可以快速完成热阻测量和预测照明设备内热量传递的路径。并且T3Ster和TERALED结合的热和辐射/光度测量系统可以得到照明设备工作温度，光性能和成本之间的完美平衡。