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功率LED热设计时,怎么考虑其真实的热阻 ​
  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要素,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停止驱动的,当LED的温度上升时,它的光输出也会急剧降落。图1所示的是常见的LED根本参数关于输出光谱的影响。此外,本图也阐明了LED的效率和发光颜色也会在峰值波优点发作偏移。
  电流和温度对红色LED输出光谱的影响
  LED热特性的重要性
  由于LED的光输出会随着温度发作变化,所以良好的热管理是功率LED照明应用的一个重要问题。经过降低LED的温度,我们能够使其坚持较高的效率。在实践的应用环境中,LED温度越低,其输出的流明也越多。
  这就意味着在LED在实践应用中,其结点至环境的真实热阻是LED照明设计的一个重要要素。令人感到遗憾的是,不同LED供给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。因而,不同的热规范机构也曾经开端停止LED热管理的相关规范制定工作。现今,JEDECJC15协会正在起草一部关于LED热阻丈量的新规范。此外,国际照明协会(InternationalLightingCommittee)成立了两个新的技术协会(TC-2-63和TC-2-64),以处置LED热方面的问题。在这些协会之间逐步达成了一个共识,那就是供给商在采用公式1计算LED热阻时,必需思索实践的光功率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工作所需求的电功率,ΔTj是LED的结温变化量。
  当肯定LED热阻的时分疏忽光功率会得到比LED实践应用更低的热阻。假如LED照明设计师运用这些数据去计算LED灯的光输出量,其结果是他们的设计常常无法满足实践的光输出量的请求。实践状况中的热阻会更高,相应地LED结温也会更高。由此,实践LED照明设备发出的光通量会比预期要低。获取LED实践的热特性数据是胜利设计LED的关键。
  热特性:仿真和物理测试
  热仿真能够协助设计师理解他们LED产品的散热情况。由于LED光源发出的热量普通都经过自然对流的方式进入到四周环境中,CFD剖析工具是用以肯定不同设计计划散热性能所必需的。
  运用FloEFD对改良的MR16停止CFD剖析
  运用Tr3ster对改良的MR16停止测试
  为了树立准确的热仿真模型,所以必需肯定实践应用中的LED热阻值。实践应用中的LED热阻值通常能够由Tr3ster等丈量仪器完成。Tr3ster是MentorGraphicsMicReD团队开发的产品。图3是图2中LED热测试所运用的测试设备。
  图4是由Tr3ster热瞬态测试仪丈量得到的LED结温和Zth的关系曲线。这个测试结果能够被用于取得LED导热途径上的细致构造信息,这里所指的导热途径主要是指LED的PN结至环境之间的热量传送途径。这些细致的构造信息以热阻和热容的关系曲线方式描绘。这类曲线也被称之为构造函数。构造函数能够协助设计师肯定整个LED散热设计的每一局部的热阻,其中包括了LED结点,TIM,散热器或者照明设备。
  自然对流环境条件下运用两种不同插槽改良的MR16热阻抗曲线
  图5显现了整个LED照片设备中结点至环境总热阻的50%是由于LED本身所惹起的。构造函数不只仅能协助构造剖析(例如,dieattach失效探测),而且能够协助生成封装元件动态的简化热模型。这类简化模型能够直接被CFD软件所运用。(一些半导体供给商也曾经开端提供它们产品热性能的瞬态模型)
  改良的MR16中各局部在总热阻的影响和构造函数
功率LED热设计时,怎么考虑其真实的热阻 ​
  功率LED热和光同时丈量
  热和光度结合丈量
  提供了一些关于解释十分有用的比照结果,而且关于实践的设计工作而言,热特性数据是必需的。所以,当计算实践的热阻值时,必需分明地理解LED的光功率。
  为了取得这方面的信息,一个热测试设备(契合应用热测试规范[3])必需具备测试LED光功率的功用。LED光功率测试必需服从CIE协会的相关规范[4]。图6是这样一个测试系统的描绘。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丈量安装。另外,整个系统中还包括电控制和测试数据处置软件。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。
  经过Tr3ster对LED停止丈量,我们能够在取得LED热阻的同时,也取得辐射通量,光通量,光输出特性,染色性等数据。我们能够在不同的参考温度和前向电流条件下,丈量这些LED特性值。
  在光度丈量过程中参加热瞬态测试不会明显增加测试时间。往常功率LED在被贴附到冷板之后,通常能够在30~60S之内到达稳定的温度。所以,光度丈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
  比拟棘手的是,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,必需注明测试环境(参考温度)。假如光度丈量和热阻丈量同时停止,则参考温度就是冷板的温度。
  LED阐明书中的数据是基于环境温度25oC,但常常LED的实践工作环境温度为50oC,最高以至能够到达80oC。其结温的范围可能在80oC~110oC的范围。较高的LED工作温度会招致LED光通量的大幅降落。
  显现了CreeMCE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计划。测试主要由两块不同的PCB,一个金属芯片和FR4安装所组成。此外,PCB和散热器之间运用了不同的导热界面资料。当散热器温度不时增加,光通量不时降落。
  由于两次测试运用一样的LED,所以估计的测试结果是两条平行的曲线,但实践状况并非如此。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的构造函数也标明热流途径随温度变化。其中最初的1.5K/W的热阻是有LED内部封装所惹起的。之后的热阻局部对应于PCB和位于PCB与LED封装之间的TIM资料。最后一局部是PCB与散热器之间的导热界面资料。在TG2500样品的测试中,两层TIM资料都显现出其热阻与温度有很大关系,从而招致了总热阻有20%的变化。图8中的构造函数被对应到LED的各个组成局部。
  运用两种不同的散热设计,6W白色LED参考温度和光通量的关系
  光通量是真实结温的函数
  一旦取得了LED每一个参考温度下的热损耗和参考温度值,经过公式2能够计算出实践LED结温:
  其中,Pheat=IFxVF(Tref)-Popt(Tref)也是公式1中运用的,RthJA是丈量的热阻值。假如将图7中的测试数据停止重新处置,将光通量作为LED结温的函数,我们发现两种测试的结果简直分歧(如图9所示)。两条简直重合的光通量和结温的曲线标明,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要素,不只仅影响其预期工作寿命而且决议其工作性能。更低的工作温度能够取得更多的光通量。由于绝大多数的LED供给商没有将LED热阻测试和光度测试同时停止。所以,往常的LED阐明书中无法提供LED真实的热阻值。因而,LED供给商提供的热阻值要比LED实践应用中的热阻值要低。假如想要经过CFD仿真的方式取得LED的热性能,那么晓得LED的真实热阻值是必需的。假如没有这方面的信息,那么分离光度丈量和热瞬态测试,并且再停止一些测试数据处置就能够取得热阻的相关信息。
  很少有LED阐明书会注明各种温度下光输出特性。经过肯定测试中LED的热阻和热损耗,能够将光输出特性描绘成真实结温的函数。这就能够消弭测试过程中不同环境温度关于实践热阻的影响。当光输出特性能够与实践的结温相对应,那么准确地比拟不同的LED照明设备也就成为可能。